两全不美:一种追踪腹腔镜超声换能器的混合方法

腹腔镜手术是一种相对于传统的开放式手术创伤较小的替代方法，它包括将带有微型摄像机和手术器械的细管插入腹部。为了可视化特定的手术目标，超声成像与手术结合使用。然而，超声图像是在一个单独的屏幕上查看的，这就需要外科医生在心理上将摄像机和超声数据结合起来。

现代增强现实（AR）基础的方法通过嵌入来克服这个问题超声图像用腹腔镜拍摄的视频相机。这些AR方法精确地映射超声数据坐标到通过摄像机看到的图像的坐标。虽然这个过程在数学上很简单，但它只能在姿态(位置和方向)超声探头（换能器）由相机坐标系是已知的。尽管跟踪腹腔镜传感器的许多策略，这已被证明是具有挑战性的。通过将电磁（EM）传感器连接到探头的基于硬件跟踪是一种可行的方法，但由于校准和硬件限制，它易于错误。相机视觉（CV）系统也可用于处理摄像机获取的图像并确定探测器的姿势。但是，由于它们完全依赖于摄像机数据，因此如果探测器被离焦或者相机的视图被遮挡，则此类方法失败。因此，这种CV系统还没有准备好临床环境。

为此，在最近发表的一项研究中医学成像来自美国的一组科学家提出了一个创造性的解决方案。他们提出了一种结合了两种方法的混合方法，而不是完全依赖于硬件或基于cv的跟踪。该杂志的副主编Michael Miga解释说:“在腹腔镜超声介入成像的背景下，追踪柔性超声探头与术前图像的相关性是一项具有挑战性的任务。Shekhar博士领导的团队通过提出的混合方法展示了令人印象深刻的跟踪能力;这些类型的能力将需要推进图像引导手术领域。”

首先，该团队设计并3d打印了一个定制跟踪支架，放置在传感器的顶端。这个支架包含一个基于电磁的跟踪传感器和几个平坦的表面黑白标记可用于基于cv的跟踪。这些类似QR码的标记，可以通过被称为ArUco的开源AR算法在摄像头记录的图像中检测到。一旦在一个画面中检测到两个或更多的标记，科学家就可以立即计算出传感器的姿态。

由于基于cv的跟踪比基于em的更准确，系统默认使用前者来跟踪传感器。每当标记在一个帧中无法被检测到时，系统就会自适应地切换到基于em的跟踪。此外，为了使他们的方法超越简单的两种技术的结合，科学家们开发了一种算法，可以根据之前的摄像机帧对基于em的跟踪结果进行修正。这大大减少了与电磁传感器相关的误差，特别是那些由腹腔镜探头旋转引起的误差。

该团队通过对一个真实的组织幻影和活体动物进行实验，证明了他们的策略的有效性。领导这项研究的Raj Shekhar对结果感到很兴奋，他总结道:“我们的混合方法比单独使用基于cv的跟踪更可靠，比单独使用基于em的跟踪更准确和实用。它有潜力显著提高基于腹腔镜超声的增强现实应用的跟踪性能。”

随着这种混合战略的进一步改进，它可以为腹腔镜手术更有效和更安全，导致更快的恢复和整体患者成果更好。

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