20多年来，临床上已经可以使用基于手术显微镜的平视显示器的增强现实。这些系统，在80年代中期发明，整合手术显微镜的HUD到导航设置显示和叠加在光学视场的物体最初被称为基于显微镜的导航。如今，复杂的基于显微镜-AR在用于颅神经外科许多中心常规用于多模态图像数据被集成在这些设置允许以可视化不仅解剖和结构信息，而且也关系到功能和代谢。基于显微镜的AR才可用于脊柱应用。在颈椎间孔切开术的病例报告和尸体研究中显示截骨平面的实验报告中，在实验环境中证明了基于显微镜HUD的AR在脊柱手术中的可行性之后，海外医疗网研究人员已经在商业上实现了对脊柱手术的AR支持系统组件。这项研究的目的是研究如何在最初的一系列操作中将基于显微镜的AR应用于硬膜内脊柱肿瘤的手术。
　　 在2018年7月至2019年4月之间，有10例患者接受了脊柱硬膜内肿瘤的AR支持手术。表1总结了患者数据和程序细节。从该前瞻性观察研究中包括的所有个体参与者中均获得了知情同意。研究人员通过术中成像和导航获得了前瞻性归档临床和技术数据的伦理批准。使用智能画笔元件在术前磁共振成像数据中手动分割肿瘤。此外，在某些情况下，根据飞行时间MRI和计算机断层扫描血管造影检查对血管结构进行分割。术前CT图像用于自动椎骨分割，为各个椎骨对象提供自动颜色分配。在融合了CT和MRI之前，使用智能画笔元素对自动分割结果进行了微调。如果由于脊柱的柔韧性而使刚性套准显示出感兴趣区域的偏差，则另外应用非线性套准；在这些情况下，线性配准被用作非线性配准的初始近似值。可以在所有融合数据集中可视化的椎骨轮廓轮廓用于验证最终配准结果。
　　 所有患者均俯卧在32层CT扫描仪的手术台上。在上颈椎有肿瘤的情况下，用碳纤维头架固定头部，并将导航参考阵列固定在头架上。在将尾巴悬垂在皮肤切口上之后，将参考阵列牢固地粘贴在患者的皮肤上。在接近脊柱，牵开器放置和椎板切除术后进行术中配准扫描，以避免由于接近程序而导致结构移位。应用低剂量方案进行配准扫描。术中CT进行配准扫描的有效剂量是通过将剂量长度乘积乘以子宫颈来确定。应通过AR可视化的术前图像与低剂量CT扫描非线性配准，低剂量CT扫描是患者配准的参考，即定义导航坐标系。通过将手术显微镜Pentero和Pentero900的HUD与显微镜元件软件结合使用，AR被建立为“透视”AR，并在靠近手术部位的屏幕上提供了额外的AR可视化，作为“视频直通”AR。这样就可以实现与HUD无关的AR可视化，并与其他具有固体三维对象的可视化形式，透明的对象显示，可视化查看框如何与3D图像数据相关的概览显示以及描述以标准的轴向，冠状，矢状，内嵌和探头的视场格式以及其他3D渲染格式重新格式化了各种图像数据。通过识别参考阵列上的几个标记，并在必要时调整配准阵列的3DAR轮廓，可以进行AR显微镜校准。通过识别手术区域中的对象来保持总体AR准确性，这些对象用于计算TRE。
　　 AR有两种不同的主要可视化形式，每个AR对象都可视化为实线和虚线的组合，其中实线表示对象在焦平面中的范围，而虚线表示超出焦点的最大范围深度中的平面，或以3D方式将对象显示为半透明的对象，这些对象的轮廓表示空间中的3D形状。每个对象都可以单独打开或关闭。通过分析显微镜视频文档评估了AR的使用情况。对关闭AR的情况进行计数，并测量时间段。在大多数情况下，显微镜使用的中断主要是由于术中超声的应用，这不是本研究的一部分，AR可以毫无困难地整合到硬膜内肿瘤手术的手术流程中。将焦点对准皮肤基准的中心，并检查参考阵列和现实的AR表示是否紧密重叠，可以重复确保整个AR准确性。低剂量配准iCT的总ED在宫颈区域的范围为0.09–0.53mSv，在胸部区域的范围为0.93–2.30mSv，研究人员可以省略侦查扫描，从而进一步降低总ED。侦查扫描的扫描长度在6例患者中在101–165mm范围内，螺旋扫描的扫描长度在60到120mm范围内。
　　 AR可靠地可视化了外科领域中感兴趣的结构。研究人员观察到可视化对象与可见肿瘤轮廓非常接近。显微镜的AR可视化使颅骨应用的手眼协调性好于基于显微镜的AR。为了避免信息溢出，可以关闭各个对象，以便例如在切除肿瘤期间仅可视化肿瘤对象，而通常仅可视化周围结构的对象在硬脑膜开放之前和切除开始时。在不同情况下，AR的使用差异很大。显微镜的总时间为48至269分钟；整个AR时间，即打开HUD和AR的时间在直接显微镜视图中可视化，范围为5到92分钟。相对于总显微镜时间而言，显微镜AR的使用范围为9.0–97.9％。计算在显微镜使用过程中关闭HUD频率的频率，每个手术病例的范围为2到17次。独立于显微镜AR可见性的状态，AR覆盖物在整个显微镜时间内都在附近的监视器上可视化。AR对象的3D显示提供了直观的深度感；在硬膜内肿瘤手术中，由于肿瘤在深度范围内的大小有限，对深度的了解并不重要。AR对肿瘤的范围有良好的印象，尤其是在探头的眼球投影中，这在髓内室间隔膜瘤的情况下尤其有用，轮廓对于可视化颅尾肿瘤的范围非常有用。但是，由于显微镜的视野有时会变大，以致肿瘤轮廓不在视野范围内，或者AR对象轮廓模糊，从而确定了正常髓质和室间隔膜瘤的界面，AR在较长的切除时间内被关闭。实线表示通常在模糊的视图和关闭显微镜HUD之间提供了很好的折衷，这在另一种髓内肿瘤，血管母细胞瘤中得到了证明。了肿瘤的可见范围与AR显示的紧密匹配，3D与实线可视化之间的直接比较。描绘了如何通过AR可视化诸如血管结构的风险结构的示例。AR不仅显示出与现实的精确匹配，而且在即时显微外科手术暴露之外，还对个体患者的解剖结构提供了很好的印象，从而有助于定位。
　　 大多数的方法来实现AR用于脊柱手术是基于可视化显示上应用光学相机监视器AR系统或光学透视头戴式设备，如设置引导椎弓根螺钉刊登位置或经皮手术和小面关节注射。第一次尝试传送使用从颅神经外科应用，脊柱外科手术显微镜的的HUD基于显微镜的AR的技术是成功的，使用市售的系统组件为脊柱手术实施了AR支持。据研究人员所知，这是有关在AR支持下进行的一系列硬膜内脊柱内肿瘤的首次报道。基于显微镜的AR被顺利地集成到手术流程中，因此可以常规使用。在所有情况下，研究人员都可以观察到肿瘤的可见范围与其AR表示非常接近。AR提供了肿瘤及其周围结构总体范围的直观可视化。由于使用显微镜HUD可视化了AR，因此手眼协调流畅，没有视差问题。通过分割对象的3D形状显示改善了深度感知，但是有时模糊了对手术区域的清晰感知，因此AR显示可以更改为线模式显示，将肿瘤的范围可视化为闭合线在焦平面中以及焦平面之外的最大范围以虚线表示，类似于基于颅底显微镜的AR中AR的历史初始可视化模式。通过选择性地打开和关闭每个对象的可能性，可以避免AR对象造成的信息溢出或手术视野拥挤。至关重要的是，只有特定手术步骤的重要对象才能可视化，以免打扰外科医生。分析显微镜HUDAR的使用时间显示出很大的可变性。显微镜HUD的总使用率为51.6％，范围为9.0–97.9％。在整个显微镜使用时间内，AR可视化显示在靠近手术区域的屏幕上，与显微镜HUDAR的状态无关。在使用显微镜期间，每个手术病例平均关闭显微镜HUD的次数为5.7次，范围为2至17次。这表明直接手术显微镜视图中的AR表示还不是最佳的，有时会模糊清晰的视图。必须开发出更好的HUD对比度适应和分辨率，以及AR可视化本身必须变得更加身临其境，以避免将AR可视化完全投射在现实之上而被感知。此外，必须集成混合现实的各个方面，其中可视化的对象实际上可以与现实进行交互。
　　 应用iCT进行自动配准导致的配准误差非常低，为0.72±0.24mm，这与最近的脊柱体模研究非常吻合，该研究显示了基于术中影像的自动配准与点对点配准错误相比具有显着优势分别为0.74±0.30mm和1.10±0.61mm。基于iCT的自动注册是确保高注册准确性的最可靠，最可靠的策略。应用低剂量方案并最大程度地减少扫描长度，可以减少对ED的放射线照射，宫颈的平均放射线为0.22mSv，胸腔的平均放射线为1.68mSv。这可以与美国普通人每年从自然辐射中接收到的约3mSv的ED相比较。当应用低剂量扫描，以减少ED，重要的是，该过程的成功不受损害。关于AR精度，当图像伪影和低图像分辨率妨碍了术前图像数据的可靠配准时，甚至可能进一步降低ED。无辐射的配准方法，例如表面匹配和使用指针的点对点配准或使用超声波设置以描绘脊柱的骨结构形状以进行配准，是不切实际的选择，因为它们更加不准确而不是基于iCT的自动注册。
　　 脊柱外科手术期间保持AR的准确性与颅骨手术和导航本身具有相同的挑战。手术过程中可能由于位置偏移而导致不正确的情况。这可能是由于坐标系的移动，即参考阵列相对于手术区域的移动，或者是由于切除或简单的作用力引起的脊柱骨结构完整性的改变或相对力的改变而发生的。椎骨的对齐方式和几何形状。因此，必须进行反复的地标检查和使用可明确识别的人工地标。如果发生位置偏移，则反复进行小剂量配准扫描可恢复AR配准精度。此外，在颅骨导航中众所周知的脑移位效应也可能发生在硬脑膜内脊柱肿瘤手术中，这是由于减压和脑脊液流失引起的脊髓运动以及切除引起的肿瘤形状改变所致。
　　 在硬膜内肿瘤手术中，手术显微镜目前仍是实现最佳可视化的主要设备，因此，在不需要手术显微镜的情况下，例如在椎弓根螺钉中，将优先使用基于HMD的AR技术。安置和经皮手术。镜筒可能会成为标准手术显微镜的替代品，并且也将它们用于脊柱手术。在这种系统中的AR直接集成是可能的，这表现为开放肝脏手术。
　　 研究人员的前瞻性观察研究的局限性在于病例数少，难以证明AR确实影响了手术过程，以及难以证明AR甚至可以带来更好的临床效果。在容易的临床病例中，脊柱手术中的AR支持可能被认为是不必要的或技术上的过度治疗。如果在脊髓表面很容易看到肿瘤，或者例如在硬脑膜开放后清楚地看到脑膜瘤的范围，那么一见钟情的AR仅提供少量的附加信息。但是，这些情况非常有可能检查整个AR实施的准确性和可靠性，复杂情况下使用该方法是可靠的，其中，在其他结构下方有一个看不见的肿瘤扩展，可以通过AR很好地看到。同样的情况也适用于可能重要保存的周围结构，例如血管结构。术中实时成像，即术中超声，是描述髓内肿瘤范围的潜在替代方法。结合AR和术中超声检查可能会提供纠正注册不准确以及外科手术引起的结构位置和形状变化的可能性，例如通过术中成像进行导航更新并补偿脑移位是描述髓内肿瘤范围的潜在替代方法。结合AR和术中超声检查可能会提供纠正注册不准确以及外科手术引起的结构位置和形状变化的可能性，例如通过术中成像进行导航更新并补偿脑移位是描述髓内肿瘤范围的潜在替代方法。结合AR和术中超声检查可能会提供纠正注册不准确以及外科手术引起的结构位置和形状变化的可能性，例如通过术中成像进行导航更新并补偿脑移位。
　　 用于脊柱手术的基于显微镜的AR与用于颅骨应用的基于显微镜的AR集成在同一框架中。此设置是开放的，以多模式导航颅各种不同的成像模态的集成，并提供多峰脊AR的可能性。除了在实际操作过程中支持外科医生的即时效果外，脊柱AR在住院医师教育中具有巨大的潜力。基于显微镜的AR可以成功地应用于硬脊膜内肿瘤手术，从而提供直观的术中可视化范围和周围结构的可视化。术中自动低剂量计算机断层扫描定位可确保高精度。因此，颅AR的所有先进的多模式选择现在也可以应用于脊柱外科。