杜云霄 王殊軼 于德旺

摘 要：增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)將計算機(jī)生成的虛擬圖形等信息融合疊加到現(xiàn)實世界場景中，使用戶看到虛實結(jié)合的三維世界，提高用戶對現(xiàn)實世界的感知與理解。從手術(shù)培訓(xùn)、手術(shù)規(guī)劃與手術(shù)導(dǎo)航3個方面介紹增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，指出在應(yīng)用中存在手術(shù)導(dǎo)航三維注冊等挑戰(zhàn)，并展望了未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù);醫(yī)學(xué)教育;手術(shù)規(guī)劃;手術(shù)導(dǎo)航

DOI：10. 11907/rjdk. 182813 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）009-0139-04

The Application of Augmented Reality Technology in Medical Field

DU Yun-xiao， WANG Shu-yi， YU De-wang， CHEN Jun

（School of Medical Instrument and Food Engineering， University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract： Augmented reality is a technology that integrates computer-generated virtual graphics and other information into the real world scene， enabling users to see the three-dimensional world where the virtual and the real are combined to improve their perception and understanding of the real world. This paper introduces the application of augmented reality technology in medical field from three aspects： surgical training， surgical planning and surgical navigation. It points out the challenges such as three-dimensional registration in surgical navigation and looks forward to the future development direction.

Key Words： augmented reality technology; medical education; surgical planning; surgical navigation

0 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)將計算機(jī)生成的虛擬圖形等信息融合疊加到現(xiàn)實世界場景中，提高用戶對現(xiàn)實世界的感知與理解。Milgram & Kishino[1]最早提出AR的定義——如圖1所示的虛擬現(xiàn)實連續(xù)體概念：虛擬環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境在相反的兩極，其中現(xiàn)實環(huán)境僅由真實對象組成，包括例如通過傳統(tǒng)視頻顯示器看到的現(xiàn)實世界場景內(nèi)容及不依賴任何電子產(chǎn)品看到的現(xiàn)實場景;虛擬環(huán)境僅由虛擬對象組成，比如由計算機(jī)模擬生成的虛擬物體;處在兩者中間的為混合現(xiàn)實，AR則為虛擬對現(xiàn)實增強(qiáng)的一種狀態(tài)。

AR技術(shù)有三大特征[2-3]：①虛實結(jié)合。AR依賴于現(xiàn)實環(huán)境，通過對現(xiàn)實環(huán)境的跟蹤定位，從而將計算機(jī)生成的虛擬物體疊加到現(xiàn)實場景中，使虛擬物體與現(xiàn)實環(huán)境融為一體;② 三維注冊。AR需對現(xiàn)實環(huán)境進(jìn)行實時跟蹤定位，確定虛擬物體與現(xiàn)實場景之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過三維注冊的方式，實現(xiàn)虛實結(jié)合;③實時交互。用戶可以與虛擬模型實時交互，并獲取反饋。

國內(nèi)外已有不少機(jī)構(gòu)開展了增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用研究。AR技術(shù)主要運(yùn)用于醫(yī)療領(lǐng)域的醫(yī)學(xué)教育與培訓(xùn)、手術(shù)規(guī)劃及手術(shù)導(dǎo)航燈方面。AR醫(yī)學(xué)教育與手術(shù)培訓(xùn)使醫(yī)學(xué)生對醫(yī)學(xué)知識及手術(shù)過程有更好的學(xué)習(xí)與理解，AR手術(shù)規(guī)劃使手術(shù)規(guī)劃更加直觀且具有較好的交互性，而AR手術(shù)導(dǎo)航使外科手術(shù)創(chuàng)傷減少，手術(shù)時間縮短，手術(shù)質(zhì)量提高。

在國內(nèi)，侯亦康等[4]對AR導(dǎo)航下頜骨截骨術(shù)進(jìn)行研究，將下頜骨和術(shù)前設(shè)計的截骨平面虛擬模型輸出到術(shù)者穿戴的AR頭顯（Head-mounted Display，HMD）中，然后利用牙模配準(zhǔn)方法及模式識別技術(shù)，使用ARToolKit軟件將虛擬模型疊加到手術(shù)視野中，為驗證其效果進(jìn)行了相關(guān)動物實驗，結(jié)果表明AR導(dǎo)航下的下頜骨截骨手術(shù)具有極好的指導(dǎo)作用;Qu等[5]將AR手術(shù)導(dǎo)航下的牽張成骨術(shù)用于治療半面短小癥，使用牙模配準(zhǔn)方法并借助ARToolKit等軟件將術(shù)前規(guī)劃的下頜角截骨線和下頜骨3D模型注冊疊加到手術(shù)視野中，并且設(shè)置實驗組與對照組，驗證基于AR手術(shù)導(dǎo)航是否能更好地輔助牽張成骨術(shù)。實驗結(jié)果表明，AR導(dǎo)航下的牽張成骨術(shù)比傳統(tǒng)導(dǎo)航方法的手術(shù)結(jié)果更加精確;Chen等[6]研究了基于光學(xué)透視式HMD的AR手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用基于表面注冊的ICP算法與基于基準(zhǔn)點注冊配準(zhǔn)算法，可實現(xiàn)手術(shù)器械校準(zhǔn)、注冊及將顯示在HMD中的三維虛擬解剖結(jié)構(gòu)與現(xiàn)實場景嚴(yán)格對齊。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)注冊精度達(dá)0.8mm，可滿足臨床要求;賀長宇等[7]針對AR手術(shù)導(dǎo)航中的光學(xué)跟蹤易受遮擋影響的問題，提出將光學(xué)與慣性跟蹤信息進(jìn)行融合的方法，以保證AR系統(tǒng)注冊精度。實驗結(jié)果表明，該AR導(dǎo)航系統(tǒng)在局部被遮擋時，仍能將虛實融合的手術(shù)導(dǎo)航圖像反饋給用戶;Jiang等[8]將AR技術(shù)運(yùn)用在穿支皮瓣手術(shù)導(dǎo)航中，使用ARToolKit軟件將術(shù)前CT血管造影和重建的虛擬三維血管模型注冊疊加到真實患者場景中，此外還為用于注冊的識別圖設(shè)計了螺絲固定支架，以保證術(shù)前、術(shù)中識別圖與患者相對位置一致，進(jìn)而做到精準(zhǔn)注冊。隨后在3D打印出的血管模型上進(jìn)行系統(tǒng)誤差測試，使用Micron Tracker追蹤系統(tǒng)進(jìn)行相同誤差測試，結(jié)果顯示系統(tǒng)誤差為3.47mm。該AR導(dǎo)航系統(tǒng)還被用于動物血管解剖，其結(jié)果表明基于AR的NS系統(tǒng)可以在手術(shù)視野中實時顯示三維個體解剖虛擬模型，從而提供精確的導(dǎo)航信息。

在國外，Strickland等[9]將AR應(yīng)用于腹腔鏡訓(xùn)練中，通過AR技術(shù)，學(xué)員可以在不透明的腹壁模型中“看到”深部臟器，輔助腹腔鏡訓(xùn)練操作。實際操作表明，采用AR/技術(shù)使腹腔鏡下肝臟切除術(shù)的培訓(xùn)時間明顯縮短;Abhari等[10]則將AR技術(shù)運(yùn)用于腦部腫瘤切除規(guī)劃，把腫瘤三維虛擬模型疊加在頭部模型中進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，在AR手術(shù)規(guī)劃環(huán)境中，醫(yī)生不需要在腦海中構(gòu)建病人大腦腫瘤信息即可直觀地看到手術(shù)入口及手術(shù)路徑，并設(shè)計相關(guān)實驗對比傳統(tǒng)2D、3D及AR手術(shù)規(guī)劃環(huán)境之間的區(qū)別。實踐結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)2D、3D手術(shù)規(guī)劃環(huán)境，AR手術(shù)規(guī)劃環(huán)境更直觀，尤其對新手醫(yī)生指導(dǎo)作用更明顯;Besharati等[11]對術(shù)中患者頭部腫瘤的增強(qiáng)顯示進(jìn)行研究，使用視頻投影的方式，將帶有5個基準(zhǔn)點的虛擬腫瘤二維影像數(shù)據(jù)以人工方式注冊到同樣帶有5個基準(zhǔn)點的頭部模型中，并測得虛實注冊誤差為0.8mm，結(jié)果表明該AR系統(tǒng)對于頭部、頭骨和腦表面圖像的術(shù)中投影準(zhǔn)確、可靠，其技術(shù)優(yōu)勢在于外科醫(yī)生能直接看到引導(dǎo)手術(shù)的影像;Ntourakis等[12]研究了AR輔助結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移的定位與切除手術(shù)，術(shù)前進(jìn)行計算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography，CT）獲取虛擬三維影像數(shù)據(jù)，并通過人工操作視頻混合器，根據(jù)自然解剖點將虛擬影像注冊到現(xiàn)實場景中，醫(yī)生通過床邊屏幕觀看增強(qiáng)現(xiàn)實信息，且將該AR手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)運(yùn)用到4例臨床手術(shù)中，成功地切除了腫瘤;Okamoto等[13]研究了AR技術(shù)在肝膽手術(shù)中的應(yīng)用，使用視頻透視式顯示設(shè)備獲取現(xiàn)實場景信息，再通過光學(xué)定位指示器及基于標(biāo)識點的配準(zhǔn)方法，將用以指導(dǎo)手術(shù)的虛擬模型疊加到視頻透視式顯示設(shè)備場景中，以患者術(shù)中出血量等評估AR導(dǎo)航下的手術(shù)效果。實踐結(jié)果表明，虛擬器官解剖結(jié)構(gòu)能較好地疊加在真實器官上;Mahmoud等[14]將裝有攝像頭的便攜式平板電腦作為顯示器，使用視覺即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)進(jìn)行跟蹤注冊。為評估該系統(tǒng)注冊精度，使用帶有肝臟的人體塑料腹部模型進(jìn)行實驗，測得肝臟處目標(biāo)注冊誤差平均值為6.61mm，底部注冊誤差平均值為11.8mm，表明距離注冊用標(biāo)識點越遠(yuǎn)的點注冊誤差越大;Watanabe等[15]研究了用于神經(jīng)外科手術(shù)的視頻透視式AR系統(tǒng)，將臉部自然解剖點作為注冊基準(zhǔn)點，使用三維動作捕捉系統(tǒng)對病人頭部、手術(shù)器械、用于顯示導(dǎo)航信息的平板進(jìn)行跟蹤定位注冊，并設(shè)計用于測試精度的十字交叉模型，測得其AR系統(tǒng)精度為1mm，相比傳統(tǒng)點對點手術(shù)導(dǎo)航，AR手術(shù)導(dǎo)航實現(xiàn)了體積導(dǎo)航，使手術(shù)導(dǎo)航更加直觀;Okamoto等[16]將AR手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于胰腺手術(shù)，將器官、血管的自然解剖點作為注冊基準(zhǔn)點，并通過紅外跟蹤系統(tǒng)跟蹤基準(zhǔn)點位置變化，進(jìn)而實時地將虛擬模型注冊到現(xiàn)實場景中，經(jīng)相關(guān)程序計算得出基準(zhǔn)注冊誤差為 5mm，表明該視頻透視式AR手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)可提供有用的導(dǎo)航信息;Wild等[17]研究了在腹腔鏡外科手術(shù)中使用熒光標(biāo)識物的AR手術(shù)導(dǎo)航魯棒性問題，使用可代謝的熒光標(biāo)識物，將腹腔鏡獲取的真實場景和用于導(dǎo)航的3D虛擬模型融合顯示在屏幕上，并模擬手術(shù)過程可能出現(xiàn)的干擾注冊過程。檢測結(jié)果表明，在各種干擾的情況下該AR手術(shù)導(dǎo)航精度均表現(xiàn)較好，可滿足臨床要求。

AR技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，本文從AR醫(yī)療教育與手術(shù)培訓(xùn)、AR手術(shù)規(guī)劃、AR手術(shù)導(dǎo)航3個方面加以介紹，總結(jié)AR技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用中存在的挑戰(zhàn)，并介紹未來發(fā)展方向，為相關(guān)研究者提供參考。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)過程

在醫(yī)療領(lǐng)域，AR系統(tǒng)實現(xiàn)過程如圖2所示。首先需獲取虛擬模型，虛擬模型可以是人體解剖結(jié)構(gòu)或術(shù)前規(guī)劃數(shù)據(jù)，虛擬模型可由CT、MRI等影像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建得到，此外還需由跟蹤定位系統(tǒng)獲取現(xiàn)實場景信息;然后將虛擬模型注冊到現(xiàn)實場景中，實現(xiàn)虛實融合;最后將虛實融合后的場景在頭戴式顯示設(shè)備或手持式顯示設(shè)備中顯示。其中虛實注冊誤差在AR手術(shù)導(dǎo)航中尤為重要，較大的虛實注冊誤差會誤導(dǎo)醫(yī)生，而AR手術(shù)導(dǎo)航中三維注冊技術(shù)也是一大難點。此外，虛實信息呈現(xiàn)方式對用戶體驗影響較大，使用二維屏幕顯示AR信息缺少深度信息，相應(yīng)的頭戴式三維顯示器可更好地展示深度信息。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)療上的應(yīng)用

2.1 教育與培訓(xùn)

將增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)運(yùn)用到學(xué)習(xí)系統(tǒng)中具有若干潛在益處。Santos等[18]對AR學(xué)習(xí)環(huán)境是否與傳統(tǒng)教育環(huán)境的輔助工具一樣有效進(jìn)行研究;Radu等[19]的研究旨在評估AR學(xué)習(xí)應(yīng)用的教育潛力，其研究結(jié)果表明，增強(qiáng)現(xiàn)實提供了一個更好的學(xué)習(xí)環(huán)境，AR學(xué)習(xí)工具使學(xué)生注意力持續(xù)時間更長，并可帶來更頻繁的師生、生生互動。

AR技術(shù)在醫(yī)學(xué)知識與培訓(xùn)手術(shù)技巧教學(xué)中的應(yīng)用愈加廣泛。Albrech等[20]以AR作為教學(xué)補(bǔ)充工具，研究對于醫(yī)科學(xué)生來說，移動AR學(xué)習(xí)效果是否與教科書學(xué)習(xí)效果相當(dāng)。研究結(jié)果表明，通過增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)學(xué)習(xí)比使用教科書學(xué)習(xí)獲得的醫(yī)學(xué)知識更多;Jan等[21]提出在增強(qiáng)現(xiàn)實的醫(yī)學(xué)環(huán)境下學(xué)習(xí)可使學(xué)習(xí)者沉浸在醫(yī)學(xué)場景中，能調(diào)動學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣;Lempp[22]、Winkelmann等[23]的研究表明，使用AR學(xué)習(xí)工具能夠緩解被用作解剖學(xué)訓(xùn)練工具的尸體倫理道德問題。

2.2 手術(shù)規(guī)劃

傳統(tǒng)手術(shù)規(guī)劃需醫(yī)生根據(jù)患者二維影像數(shù)據(jù)判定病灶區(qū)及需要避開的重要解剖結(jié)構(gòu)等，然后確定手術(shù)入口及手術(shù)路徑，在該過程中需醫(yī)生構(gòu)建患者信息，然后在腦海中將二維坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)信息，從而確定手術(shù)入口及手術(shù)路徑。傳統(tǒng)手術(shù)規(guī)劃環(huán)境不夠直觀，且不利于醫(yī)生之間的交流。使用AR技術(shù)將患者的關(guān)鍵信息注冊到現(xiàn)實人體模型中，醫(yī)生無需在腦海中構(gòu)建患者信息并進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換即可很直觀地確定手術(shù)入口及手術(shù)路徑。在AR環(huán)境下進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃誤差更小，用時更少且能夠減少醫(yī)生思維負(fù)擔(dān)。

2.3 手術(shù)導(dǎo)航

目前已有大量研究者將AR技術(shù)應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中，以探究更加精確、便捷的AR輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。 精確地將術(shù)前準(zhǔn)備的虛擬影像注冊疊加到目標(biāo)手術(shù)視野范圍內(nèi)是AR輔助手術(shù)導(dǎo)航的重要前提。 將術(shù)前影像數(shù)據(jù)注冊到現(xiàn)實手術(shù)場景中有基于標(biāo)識進(jìn)行注冊疊加與無標(biāo)識注冊疊加兩種方式。其中，基于標(biāo)識的注冊方式標(biāo)識選取有兩種方法：①術(shù)前在手術(shù)區(qū)域附近放置標(biāo)識或者選取手術(shù)區(qū)域附近的自然解剖點;②使用追蹤系統(tǒng)指示器工具獲取現(xiàn)實場景標(biāo)識點信息，從而獲取現(xiàn)實場景坐標(biāo)信息，以達(dá)到虛實融合的效果。

借助AR技術(shù)，將術(shù)前拍攝的患者3D模型數(shù)據(jù)注冊疊加到患者病灶區(qū)，可更加直觀地觀察病灶區(qū)組織結(jié)構(gòu)等信息，避免醫(yī)生在導(dǎo)航屏幕與病灶區(qū)之間的視野轉(zhuǎn)換，從而解決在基于導(dǎo)航系統(tǒng)的手術(shù)中手眼不協(xié)調(diào)問題， 且將術(shù)前人體3D模型直接疊加到人體病灶區(qū)，可更加直觀地展示深度信息。

AR手術(shù)導(dǎo)航的關(guān)鍵在于保證術(shù)前人體3D模型能夠精確地疊加到患者病灶區(qū)，給醫(yī)生提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)，但人體軟組織易變形、光學(xué)系統(tǒng)畸變、攝像機(jī)標(biāo)定誤差等因素均會引起較大的注冊誤差;另外深度感知的不完整及較大的系統(tǒng)延時也會對導(dǎo)航效果產(chǎn)生影響，較大的注冊誤差和不完整的深度感知可能提供錯誤的導(dǎo)航信息，降低對醫(yī)生的指導(dǎo)作用。因此，目前AR手術(shù)導(dǎo)航的虛實三維注冊是一個挑戰(zhàn)。

3 評價方法

AR技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，其效果評價也至關(guān)重要。在醫(yī)療領(lǐng)域主要從兩個方面對增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行評價：客觀定量評價與主觀問卷定性評價?？陀^評價的常用指標(biāo)有：①EEG信號，用于監(jiān)測使用者的大腦活動，通過對腦電信號的分析判斷AR技術(shù)培訓(xùn)效果;②手術(shù)或者培訓(xùn)過程中手術(shù)入口點與路徑，用于判斷增強(qiáng)實現(xiàn)技術(shù)是否更加有利于手術(shù)及培訓(xùn)過程;③虛實注冊誤差，可分為靜態(tài)注冊誤差及動態(tài)注冊誤差，是對虛實目標(biāo)坐標(biāo)誤差的一種衡量，注冊誤差值越小越好。常用主觀問卷主要有：①任務(wù)負(fù)擔(dān)指數(shù)量表（Task Load Index，TLX），如表1所示;②主觀可穿戴性人因評價標(biāo)準(zhǔn)，包括：舒適等級 （Comfort Rating Scales，CRS）、視覺模擬量表（visual analogue scale，VES）、Borg疲勞量表Borg PRE、Brog-CR10，以評估局部疼痛與不適程度。

4 結(jié)語

近年來AR技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛，涵蓋醫(yī)療教育與手術(shù)培訓(xùn)、手術(shù)規(guī)劃及手術(shù)導(dǎo)航等多方面。尤其在手術(shù)導(dǎo)航中，AR技術(shù)能夠給醫(yī)生提供更加直觀的導(dǎo)航，更精準(zhǔn)的AR手術(shù)導(dǎo)航能夠讓手術(shù)更加安全、快速地完成，但手術(shù)導(dǎo)航的三維注冊是一個難點，也是AR手術(shù)導(dǎo)航的研究熱點，只有實現(xiàn)虛實完全重疊，才能給予醫(yī)生更好的手術(shù)指導(dǎo)。

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（責(zé)任編輯：江 艷）