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荧光在血管神经外科中的应用前景

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在血管神经外科手术中,手术显微镜用于提供手术区域的放大和照明视图。尽管显微镜提供的图像质量和光学放大倍率让外科医生受益匪浅,但外科医生必须依靠自己对色彩的敏锐感知来区分不同类型的组织。
其中一项挑战就是如何同时实时可视化并评估解剖结构和血液流动。荧光技术,例如近红外 (NIR) 成像与吲哚菁绿 (ICG) 相结合,通过实现血管流动的高对比度可视化来帮助外科医生。不过,这些技术存在局限性,特别是无法同时可视化血流和解剖细节,而且只能生成黑白图像。
目前市场上有一种创新技术——增强现实荧光技术,不仅利用了荧光与ICG造影剂的高对比度,又克服了之前提到的诸多限制。它能提供血管血流和解剖结构的实时、多光谱彩色可视化,从而帮助外科医生更为自信地执行和评估手术干预。

影像 1:增强现实荧光看到的颅内血管动脉瘤。

当今血管血流的可视化:为何我们现在需要这一新的步骤

NIR荧光与ICG的结合使用,可以帮助血管神经外科医生进行挽救生命的手术。但是,由于白光反射和荧光成像模式的不同性质,每种模式需要不同的滤光片进行照明和成像。选择某一成像模式会触发显微镜自动切换到相应的滤光片。因此,不同的成像模式仅以顺序方式提供。 

外科医生必须依次单独选择并查看每种成像模式,观察并记录每种模式观察到的有用特征,然后在脑海中融合所有这些信息,以便生成相关组织和血流的可用“图片”,必须先完成这一步骤,才能进行任何手术干预,例如夹闭动脉瘤。

影像 2:动脉瘤夹闭手术的夹闭前图像,表明外科医生必须在脑海中融合不同图像(血管荧光图像以及白光图像),才能进行手术干预。

这项任务会造成外科医生的时间和精力负担过重的问题,而荧光图像中的一些细节可能由于难以记住黑白血管荧光图像的所有空间特征而被忽略。即使已经完成夹闭操作,这种挑战依然存在。

影像 3:动脉瘤夹闭手术的夹闭后图像,表明外科医生必须在脑海中融合不同图像(血管荧光图像以及白光图像),才能评估手术干预效果。

Video 4: Post-clipping NIR Fluorescence Image

使用血管荧光的挑战更加复杂,因为荧光仅能产生微弱的信号,外科医生只能比较图像中的荧光强度,而无法比较不同位置或手术之间的荧光强度。
增强现实荧光技术克服了使用手术显微镜操作时的这一重大挑战。

使用增强现实荧光技术进行显微手术的优势

增强现实荧光技术采用独创的增强现实模块,可以克服上述限制以改善手术的操作体验。它将吲哚菁绿(ICG)的近红外荧光信号与传统白光照明图像结合在单一视图中。这项功能让外科医生可以在单张视图中同时可视化ICG荧光和白光的图像信息——他或她可以以全彩色方式评估血管流动和解剖结构。

增强现实荧光技术的工作原理

增强现实荧光采用一种新型多光谱成像技术,允许在不同的光谱波段以反射或荧光模式同时捕获多幅图像。该技术将光谱复用技术用于白光和荧光照明。这样就能精确叠加白光和荧光的激发光线来照亮组织,而多光谱成像传感器利用相应的滤光片来消除不同谱段之间的潜在干扰。
具体而言,对于增强现实荧光技术,白光反射成像照明由波长约为400-700纳米的可见光组成,ICG荧光激发照明采用波长约为700-790纳米的近红外光。过滤掉所有波长大于790纳米的光线以免与荧光激发信号发生干扰。增强现实荧光多光谱传感器采用不同滤光片以便在四个谱段进行独立测量:红色、绿色和蓝色,用于重建白光反射图像,以及 835-880纳米波段的近红外发射光,用于ICG荧光的可视化。增强现实软件结合了可见光和不可见近红外光视频流。使用者可以看到手术部位的高清视频,显示发出的荧光信号和解剖信息
下方的光谱图(图 1)显示了可见光与不可见光的波长。通过激发不可见光谱范围的荧光团,它们可以在近红外滤光片下对人眼变得可见。

荧光激发

790 nm

荧光信号

835 nm

表1

增强现实荧光模块使用视频处理单元(VPU)来获取、处理并显示来自显微镜光学头内置摄像头的两条视频流的数据。这种影像处理工艺可以提供以下描述的关键特性。

伪彩色

近红外荧光的标准图像只有黑白,但最终用户可以根据个人喜好选择伪(假)彩色(下方的图 2和表 2)来观察发射光荧光信号。来自白光照明的彩色图像是使用“去层”(或去马赛克)过程构建的,该过程对来自增强现实荧光传感器芯片的滤光片阵列输出的颜色值进行插值。

色彩选项

天蓝

蓝色

深青

绿色

品红

RGB值

255-000-255

127-000-255

000-127-255

000-221-221

000-255-000

表2

均匀化

为了克服手术显微镜系统在亮度分布上的不均匀性,将均匀化滤光片用于每个输入帧,通过基于显微镜设置(工作距离、放大倍率、光圈、照明)应用像素级划分来标准化测量的亮度,如下图 6所示。该系统采用与每张图像成比例的补偿因子,通过均匀化,可以补偿中心加权照明的影响。均匀化值的范围从0%(无)到100%(最大)。

此外,在均匀化之前对荧光图像应用旋转、平移和缩放变换,以补偿从手术部位到两个传感器芯片的光束路径差异。在运行时应用双线性插值,以从周围像素导出非整数圆点坐标处的荧光强度。

强度缩放

采集图像的亮度会随着工作距离和放大倍率的增加以及光强度的降低而降低。为了补偿这种亮度降低,将比例因子用于荧光图像。
强度调整与物体细节相关的荧光对比度、亮度和透明度。强度值范围从0%(仅荧光可见/物体占主导)到100%(荧光强烈可见且占主导)。

在临床实践中

增强现实荧光技术确保用户能够使用手术显微镜,利用近红外荧光,以完整的多光谱彩色图像评估血流。当激活增强现实荧光模式,手术显微镜的白光照明可以扩展到近红外以激发荧光基团(ICG)。荧光基团(ICG)过滤后的近红外荧光信号由近红外感光摄像机采集并在增强现实荧光VPU中处理。

影像 4:影像 1中的动脉瘤夹闭后。颜色高亮显示的血流和解剖结构使外科医生能够更好地评估动脉瘤夹闭和夹闭后的血流。

增强现实荧光技术提供两种不同的观察模式:带有嵌入伪彩色荧光信号的白光物体视图或黑白(B&W)的近红外荧光视图。两种视图中,荧光视频信号都可以在附带的手术显微镜视频监视器上或通过显微镜目镜观察到(这需要显微系统的镜内图像投射)。
增强现实荧光模块使用增强现实荧光算法实现高水平同步,确保色彩自然并集成在图像中,无论使用哪种观察源:2D屏幕、3D屏幕或显微镜目镜(需要镜内图像投射模块)。
这些特征让增强现实荧光模块成为外科医生的重要工具,因此它们可以同时可视化血流和解剖结构。

视频 5-6:夹闭前的动脉瘤

影像 7-9:夹闭后的动脉瘤

增强现实荧光平台及其未来应用

增强现实荧光技术通过同时获取白光和荧光两种成像模式提供新的手术成像体验,使所有与工作流相关的信息都能在一个增强现实视图中可视化。
如果没有任何荧光信号,组织以其自然白光外观可视化,如果发生荧光,可以通过与自然组织色调形成对比的鲜艳颜色显示。独特的彩色混合算法确保忠实呈现组织的解剖结构,并利用直观的组织发光效果准确显示荧光强度。可以使用不同色彩同时显示多个荧光信号,无需切换模式或者采取人为干预。
此外,增强现实平台可以可视化荧光强度,不受工作距离、放大倍率,以及照明和成像光学器件不均匀性的影响。让外科医生能够比较不同成像位置、手术,甚至患者之间的荧光强度。
增强现实的一般特征,例如校正不均匀性和荧光强度的标准化。

The GLOW800 module is also GLOW400-ready and, pending appropriate regulatory clearance, can be upgraded to also provide GLOW400 capabilities. Generic features of GLOW AR, such as correction of inhomogeneities and normalization of fluorescence intensity, are included.

Other GLOW AR platform technologies are currently in development and will be released in due course2.

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