增强现实在医学领域中的应用现状研究

引言

在传统的诊疗过程中，通常是医生根据已有的二维断层图像，凭借经验估计病灶形态结构以及和周围正常组织的关系来分析患者病灶部位的特点。但二维图像无法提供人体组织器官的立体感知效果，缺乏直观性，因此精确度也较低[1]。随着电子信息技术的发展，可视化技术越来越多地应用于医疗领域当中。三维可视化技术是从计算机断层技术（Computer Technology，CT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、超声成像（Ultrasound，US）、正电子发射扫描（Positron Emission Tomography，PET）等成像系统中获取数据，将图像生成技术和图像理解技术结合起来，从获取的复杂数据中生成人类视觉可以感知的三维图像，更加直观地进行操作和分析[1-2]。三维可视化技术包括3D 打印、三维重建、虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）等技术，其中AR 以其较好的虚实结合[3]、实时交互能力[4]、三维尺度中添加定位虚拟物体等优点成为医疗领域的新兴技术。AR 可视为VR 的变体，是用计算机生成的数据来对真实的世界进行补充并实时呈现的技术。AR 同时关注真实世界和虚拟世界，并进行实时交互，其侧重于将虚拟影像叠加在真实世界中的方式来观察现实世界以此来增强用户的现实体验，AR 补充真实世界而不是取代它。本研究将讨论AR 在医疗领域的应用现状和发展方向，主要包括AR 技术特征及关键技术、AR 在医学教育中的应用、AR 手术导航、AR 在肿瘤放射治疗领域的应用。

1 AR技术特征及关键技术

AR 技术与其他可视化技术相比，具有多图像融合、3D 交互、具备手眼协调能力等特征，能增强用户对周围真实世界的感知，而不需要在现实世界和屏幕之间来回切换。

AR 系统的基本流程主要如下：采集数据进行建模形成模拟图像、将模拟图像与真实环境进行匹配、最终增强图像的显示[5]。AR 系统所需要的三个必要的组件为：头戴式显示器、实时注册跟踪定位技术、移动计算能力，其中关键部分是注册定位跟踪技术与虚实场景融合技术。注册定位跟踪技术的精确度直接决定虚实融合的鲁棒性和实时性，此技术的关键是实现对真实场景中的目标物体位置的准确跟踪，而AR 跟踪器又分为基于视觉的无标记跟踪器和基于三维模型的跟踪器等，其中基于无标记三维模型跟踪器优点是能够预测目标场景的隐藏运动，减少跟踪过程中引入的异常数据的影响，从而提高鲁棒性和各方面的性能[6]，使用三维模型的跟踪器的前提是需要被跟踪对象有3D 模型以供使用。虚实融合技术将直接影响用户的真实感，Battiato 等[7]对虚拟或真实场景信息做了简化处理以减小计算机生成的虚拟像和真实场景之间的差异，同时有研究表明利用基于OpenSceneGraph（OSG）的模型渲染技术以及GL 着色语言（GL Shading Language，GLSL）实现的多元化融合效果较传统的虚实融合方法而言更加灵活、直观地展现出融合场景的真实感和立体感[8]。

2 AR在医学教育中的应用

人体解剖学是医学生最基本的课程之一，其主要是说明性的，需要通过图形、图标和真实模型进行教学才能有助于学生的理解。但传统的结合教科书和解剖来教授人体解剖学受到了很多的限制，而AR 技术的出现可以很好地呈现骨骼、肌肉、神经和其他的人体器官，使医学专业的学生在一个真实世界的“操作”游戏中练习解剖人体模型的程序，AR 成为传统解剖教学模式很好的补充[9]。Kandikonda 等[10]使用Maya 3D 软件成功创建了人体脊柱模型，他选取了精确的人体脊柱图片，并将在Maya 中创建的3D 脊椎模型导入Google Sketchup 软件当中，再使用AR-media 插件配置3D 脊柱模型以生成增强现实，生成增强的3D 脊柱以供学生进行交互学习。Blum 等[11]提出mirracle 系统，该系统利用AR 技术实现原位可视化，直观地在用户身上显示解剖结构，有助于在学生掌握重要器官组织结构的同时提高学习的积极性。

神经外科手术复杂、危险系数高，因此需要神经外科医生的大量学习来提高自己的经验水平，但大多数知识的来源还停留在解剖图谱、头部模型和动物解剖模型上，限制了神经外科医生的进一步学习。有研究报道称，Immersive Touch（IR）作为一种AR 系统，可以用来模拟训练脑室造口术、颅骨钻孔手术、经皮三叉神经根切除术，还可用于模拟脊柱模块，如椎弓根螺钉置入、椎体成形术和腰椎穿刺等其他操作，学习者通过三维立体模型可以更好地理解复杂的神经外科解剖模型，明显提高了学习的效率[12-13]。

文章来源：《临床神经外科杂志》 网址: http://www.lcsjwkzzzz.cn/qikandaodu/2021/0322/447.html