在外科手术导航领域，历史上对x射线技术的依赖正在经历一场革命性的转变，这是由于其他导航方法的出现，如基于视觉的方法、电磁跟踪、机械末端执行器跟踪和超声波系统。这些替代方案提高了精度，改善了实时成像，降低了成本，具有尺寸优势，并减少了辐射暴露。虽然替代导航方法的出现，已被证明在医学和各种行业具有颠覆性，但在满足手术室进一步采用的要求方面，诸如视线要求、电磁干扰和繁琐的工作流程等重大限制仍然存在问题。在这些挑战中，光纤形状传感（FOSS）作为一种创新技术出现，为传统手术导航方法的许多局限性提供了解决方案。TSSC公司的形状传感和导航技术，利用光纤的独特优势，准备改变设备引导的格局。今天，我们的目标是，证明我们的形状传感和导航技术不仅解决了现有系统的缺点，而且满足了手术设备导航系统的严格的精度要求。
光纤形状传感包括一种由多芯光纤或多根单芯光纤组成的传感器，以及一种称为光频域反射计（OFDR）的解调系统。这些与TSSC的处理算法相结合，使传感器的3D形状能够被测量和可视化。基于光纤的形状传感器紧凑而灵活，不需要透视辅助，便可以提供整个传感器长度的实时可视化，并且不受电磁干扰。光纤形状传感的概念已经存在了相当长的一段时间，然而，在传感扭曲，空间分辨率和成本的限制，限制了精度和采用。最近的研究表明，人工扭曲补偿的尝试，产生的平均形状精度结果，在大约1毫米的范围内，与一些出版物显示亚毫米精度。然而，这些研究并没有表明在严格控制的实验室环境之外可能取得的真实结果，更不用说在手术室环境中了。目前的研究还表明，由于缺乏标准化的测试评估方案和误差度量，使得比较不同的形状传感解决方案变得困难或不可能。
TSSC的FOSS技术，克服了现有形状传感解决方案的局限性。与这些替代方案相比，它提供沿整个传感器长度的空间连续测量，分辨率低至几十微米，提供准确的分布式扭转传感，并且正在朝着低成本的方向发展。扭曲传感已被证明在形状传感技术中绝对必要的，以保证使用设备时的位置精度，如内窥镜，导管和导丝。TSSC的技术已经在反映其在手术环境中的预期用途的条件下，进行了严格的测试，确保了相关性和适用性。
图1. 解剖模型中光纤形状传感器的可视化
在这项研究中，当我们的光纤传感器插入弯曲的解剖路径时，TSSC展示了3D形状的准确性。测试过程，包括将传感器插入路径，就像外科医生在病人体内放置导丝或导管一样，并且刻意限制或最小化扭曲。本研究选择的路径，代表了腹主动脉瘤（Abdominal Aortic Aneurysm, AAA）治疗期间外科医生必须导航的典型解剖路径。它是由正常健康的成年女性的CT扫描中血管的中心线得出的（如图1）。血管内路径长度约为43.5cm, TSSC在解剖部分近端增加了68.0cm的非弯曲路径长度。这样做是为了将测试长度延长到1m以上。将传感器保持在目标形状的测试夹具，是通过3D打印一个静态管状结构构建，该结构包含一个容纳传感器的中央管腔，以及一个与管腔相同路径的外部凹槽。该沟槽允许使用红外相机和标记进行实验重建和路径验证。测试过程，包括将传感器插入整个路径长度，然后记录输出形状。然后，使用迭代最近点（Iterative Closest Point, ICP）分析将记录的形状与红外测量路径进行比较。
图2. 本研究中使用的路径中医学相关区域（青色）的可视化
用于计算形状精度的度量标准，是ICP注册形状传感点集上所有对应点与地面真值集（红外测量的路径数据）之间的平均距离误差。在整个路径长度上，平均形状误差约为0.68 mm，偏差为±0.40 mm，远端最大误差约为≈3.00 mm。当仅聚焦于医学相关区域（如图2）时，平均形状误差约为0.70 mm，偏差为±0.44 mm，远端最大误差约为≈2.40 mm。目前显示的测试误差，源于已知的校准限制，随着TSSC技术的不断发展，这些指标有望得到改善。
图3. 整个形状配准结果的3D可视化（左）与医学相关区域配准结果的2D投影可视化（右）
图4. 当考虑整个路径时，作为弧长函数的误差（左）和当仅考虑医学相关(区域时，作为弧长函数的误差（右）。
鉴于这些亚毫米形状精度的研究结果（如图3和图4），TSSC的FOSS和导航技术是血管内手术的有力候选者。TSSC技术的亮点在于，在曲折的路径和任意扭曲的情况下保持高精度的形状测量。TSSC很愿意能分享这些亚毫米形状精度的研究结果，也期待着讨论如何将这项技术部署在需要改进导航的任何医疗设备中。
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