增強現實技術的研究進展及臨床應用概述

張楚茜　綜述　張詩雷　審校

“增強現實”（Augmented reality，AR） 最早由Milgram 等[1]于1994年提出，被描述為將數字內容與用戶周圍真實環境合并的交互式可視化系統[2]。增強現實系統可將計算機生成的虛擬物體、場景等實時疊加,顯示到真實場景中，虛實結合，以增強使用者對真實世界的感觀[3]。增強現實真正開始于上世紀60年代Sutherland[4]的研究，他發明了一種“透視”頭戴式顯示器，用于觀察三維圖形。1986年，這種虛擬圖像與真實環境結合的技術首次運用于醫學神經外科領域。Roberts等[5]開發了一種將CT圖像集成到手術顯微鏡的光學系統，并用其觀察了一位患有多形性成膠質細胞瘤患者的腫瘤邊界。此后，增強現實技術不斷發展，逐漸滲透到醫學的各個領域。

增強現實與虛擬現實（Virtual reality，VR）有著本質的區別。虛擬現實旨在將用戶完全沉浸在計算機生成的虛擬環境中；而增強現實則與其相反，旨在將計算機生成的虛擬對象添加到真實環境中，增強用戶對真實世界的感受[6]。Milgram等[1]創造了一個名為“虛擬連續體”的概念，認為增強現實更接近于真實環境的一方。目前，虛擬現實技術多用于術前設計、手術計劃，以及手術的模擬訓練等，而增強現實技術已廣泛應用于手術的圖像引導[7]。

1　增強現實系統的關鍵技術

增強現實系統的工作流程包括：所需呈現圖像的虛擬建模、虛擬建模與真實環境的匹配，以及最終增強圖像的顯示，其中最重要的就是顯示及虛實配準技術。

1.1　增強現實的顯示技術

目前使用的增強現實顯示設備，根據成像原理的不同，可分為視頻式顯示器、光學透視式顯示器和投影儀顯示器。

1.1.1視頻式顯示技術

視頻式顯示器實現增強現實顯示的基本原理是虛擬圖像與真實世界兩幅圖像的數字化融合，一般由前置攝像頭、場景生成器、視頻合成器和顯示器組成[8]。視頻合成器通過將計算機生成的虛擬圖像與攝像機獲取的真實世界圖像融合，通過顯示器將組合圖像呈現于使用者眼前。由于圖像的融合和處理均需要時間，所以視頻式顯示器中的圖像通常相對于真實世界略有延遲[9]，這也是視頻式顯示器最主要的缺點。盡管其呈現的圖像質量更高，但因與真實世界不完全同步，對可能發生緊急情況無法及時處理，降低了使用者使用時的安全性。

視頻式顯示器又可分為頭戴式視頻顯示器和手持或懸掛式視頻顯示器。頭戴式顯示器可解放雙手而成為目前較為常用的顯示設備，但是使用者所看到的畫面全部是計算機生成的，在快速移動頭部時，因為成像不夠精確，可能會導致使用者感到眩暈不適[9]。手持或懸掛式視頻顯示器無法提供沉浸感，且不便攜帶[10]。目前，懸掛式視頻顯示設備在醫學領域多用于腹腔鏡手術，通過將虛擬圖像與腹腔鏡圖像融合直接顯示在屏幕上，以幫助定位深部的血管或腫瘤等。

1.1.2光學透視式顯示技術

由于攝像機無法完全還原人類的視覺，故研發出了可以直接將增強信息疊加到使用者視線光路的透視設備。光學透視式顯示器一般由場景生成器、集成顯示器和光學透視鏡片組成。其基本原理是將集成顯示器中的虛擬建模圖像反射在半透明鏡片上，將真實環境光線和數字圖像在半透明鏡片上達到融合，最終呈現在使用者的視網膜上[11]。光學透視式顯示設備最大的技術難點在于場景生成器與用戶眼睛二者坐標系的匹配，需要考慮眼睛不同的焦距以及追蹤眼球的移動，極大地增加了虛實配準的難度[12]。此外，現有的光學透視式顯示器呈現的顏色也不夠真實，會降低使用者的沉浸感，這些都是目前亟須解決的問題[13]。

1.1.3投影儀顯示技術

將虛擬圖像與真實環境疊加，更為直接的方法是將虛擬建模圖像利用投影儀直接投影在真實環境中。它擁有對現實環境直接的視覺，可以營造物體的“透明感”，便于看到隱藏于深層的結構，且技術簡單，價格低廉[14]。但在實際應用過程中，投影儀也是局限最大的。目前，基于投影儀的增強現實有以下缺陷：①使用者的目光與投影儀的光學中心不同，不同的角度對投影圖像的深度與位置會產生不同的判斷，故投影儀只能用于淺表結構的顯示；②投影儀對環境的要求較高，光線太亮會影響投影儀成像質量，而光線太暗又不利于用戶觀察環境，且用戶和物品都有可能對投影圖像造成遮擋；③投影環境無法進行預先估計，不能作為良好的投影屏幕，會使投影圖像變形[15-16]。基于投影儀的增強現實技術，其未來的發展方向為增加對用戶頭部的跟蹤、識別遮擋物和全息投影的應用等。

1.2　增強現實的虛實配準技術

實現虛擬建模與實際患者的精確匹配，將虛擬圖像疊加在正確的位置上，是增強現實技術中的難點。任何一點的疊加誤差都可能造成錯誤的認知，所以這是保證增強現實圖像形成的關鍵。目前，虛實配準方法包括基于硬件設備的配準和基于計算機視覺的配準兩類[17]。

1.2.1基于硬件設備的配準技術

這種配準方法主要包括電磁式、光學式、超聲波式和機械式跟蹤配準方法。電磁式方法通過磁感應信號之間的耦合關系來準確定位；光學式方法通過攝像裝置或光敏器件接收反光球發出的光來計算物體的空間位置；超聲波式方法通利用不同聲源到達某一地點的時間差等進行跟蹤定位；機械式方法則通過物理連接來測量物體的方位[18]。準確定位后再通過虛實圖像上標志點或整體表面的識別來進行配準。其定位準確且廣泛，但需要另外配置跟蹤定位設備。這種方法在醫學領域已有較多的應用，通常通過在皮膚表面粘貼標志點，在骨骼、器官內植入金屬螺釘，或激光掃描緊貼骨質的皮膚來實現術中配準[19-21]。

1.2.2基于計算機視覺的配準技術

該配準技術通過在視頻流圖像中識別環境中的人工標識物或自然特征來實現配準，無需額外的跟蹤定位設備，成本低，但只有在特定平面上配準才比較準確，一旦變換方向，標識物或自然特征變形缺失，則無法進行配準。此種方法在醫學領域也有應用，Zhu等[22]設計了一種利用口腔咬牙合夾板配準的方法，通過將咬牙合夾板佩戴在患者的下頜牙齒上，使其與下頜骨的位置保持恒定，術中識別固定在夾板上的圖形標志物來匹配下頜骨的位置；Wang等[23-24]報道了一種基于牙齒輪廓的無標識的配準方法，可以實現自動配準，且手術器材對牙齒短暫的遮擋不會對配準造成影響，配準誤差＜1 mm。

2　增強現實技術的臨床應用進展

增強現實技術在復雜器械的維修加工、軍事、娛樂及教育等領域均有應用，在醫學領域的應用體現出了獨特的優越性。由于增強現實的虛擬建模圖像依賴于患者的術前影像數據，所以對于術中移動和形變較小的器官，如肝臟、顱骨等，有較好的效果，而對于腸等移動的器官則難以跟蹤和匹配[25]。目前的增強現實技術的臨床應用多集中于神經外科、顱頜面科和普外科中。

2.1　神經外科手術中的應用

神經外科手術必須在狹窄的手術區域內切除盡可能少的組織，以減少對大腦的損傷，且大腦被限制在顱骨內不易移動和變形，所以是最早且最常應用增強現實技術的領域[25]。增強現實技術可用于大腦深層重要神經、血管和腫瘤的精確定位，縮短手術時間。

謝國強等[26]應用3D-slicer軟件及iPhone5智能手機的低成本增強現實技術，為17例高血壓腦出血患者進行了腦內深部血腫穿刺，術后頭顱CT復查提示血腫清除滿意，未發現再出血，認為此項技術有利于清晰勾畫血腫的邊界，提高了血腫清除率，降低了術后再出血發生率。Kersten-Oerte等[27-28]應用增強現實導航系統，對1例動脈瘤、2例動靜脈畸形和1例動靜脈瘺患者實施了手術，圖像與患者的整體配準誤差在1～2 mm，認為該導航系統有利于定位血管和規劃手術入路。Tabrizi等[29]運用基于投影儀的AR技術，為5例腦腫瘤患者實施了手術，所有腦腫瘤均被完全切除，且均無明顯的并發癥或新的術后神經功能障礙，認為增強現實技術可以幫助規劃皮膚切口，在腦表面進行腫瘤的可視化，這在神經外科手術中是非常有益的。Kockro等[30]開發了增強現實手術導航系統DEX-Ray，由一臺載有計算機硬件和掛式液晶顯示器的手推車、一個連接的跟蹤系統和一個手持探頭組成，探頭包括一個帶有指針的鋁合金管和一個可以滑入其中的口紅形相機。該系統不僅可顯示病變的增強現實圖像，且可測定手持探針到目標病變的距離，在對5例腦腫瘤患者的手術應用中顯示了良好的效果，有利于腫瘤的完整切除，患者術后沒有出現新的神經功能癥狀[31]。增強現實技術在神經外科領域，尤其是在開顱手術中，根據患者的解剖結構進行手術規劃的調整方面，體現了良好的應用效果。

2.2　顱頜面外科手術中的應用

顱頜面部有復雜的解剖結構、豐富的神經血管和極高的美學要求，任何微小的手術誤差，都有可能帶來嚴重的功能障礙或異常的面部輪廓，所以對手術的安全性和精確性有很高的要求。目前，增強現實在顱頜面外科的臨床應用較少，主要有下頜骨畸形修整[32]、正頜外科[33]及上頜骨腫瘤切除[34]等方面的應用報道。

Zhu等[32]運用增強現實技術為20例包括下頜角肥厚、下頜后縮等下頜骨畸形患者進行了整形手術，增強現實圖像用于術中確定下牙槽神經管的位置，并顯示術前設計的截骨線，均取得了良好的手術效果，系統誤差為（0.96±0.51）mm。但該技術目前只適用于下頜骨手術，且用于配準的牙科夾板松動或錯誤放置可能造成較大的手術誤差；同時，該系統目前只實現了增強圖像的直觀可視化，對于下牙槽神經管的深度還無法準確定位。Zinser等[33]設計制作了一種手持式增強現實導航系統X-Scope，在5例骨性Ⅲ類錯頜畸形患者的雙頜手術中，均準確完成了術前計劃，精確范圍在1 mm以內。他們認為，AR系統在復雜的上頜骨非線性易位及無法使用咬牙合夾板的無牙頜患者的正頜手術中，可以提供額外的安全性，但是目前還無法替代傳統的正頜手術[33]。Wagner等[34]運用基于視頻式頭戴顯示器的增強現實技術，在1例上頜骨復發性骨肉瘤患者的手術中，直觀顯示了術前腫瘤切除計劃的手術入路。總體而言，增強現實導航技術在顱頜面外科領域的臨床應用還較為有限，只能作為手術參考，尚無法達成精確的手術導航。

2.3　普外科中的應用進展

普外科涉及的手術目標多為軟組織器官，術中容易因為患者的體位變動及手術器械的拉扯而產生形變，無疑為增強現實技術的應用增加了許多困難。為了盡可能減少目標移位、形變所帶來的誤差，目前增強現實技術多應用于肝臟、胰腺、腎臟等形變較小的器官。

2.3.1在開放性手術中的應用

增強現實技術在普外科開放性手術中的應用與其他領域相類似。肝門部膽管癌（HCAC）根治性切除術的難點在于術中難以辨別肝內血管及膽管復雜的解剖結構，Tang等[35]設計了一種手持式增強現實導航系統，為1例HCAC患者實施了手術，在術后9個月的隨訪中未發現復發。Okamoto等[36]運用該技術為24例胰腺病變的患者實施了手術，并通過其中4例導管內乳頭狀黏液性腫瘤患者和1例囊腺瘤患者對系統的實用性進行了評估。在這5例手術中，系統的配準誤差在（3.55～11.79）mm之間，認為基準點在血管上比在軟組織器官的邊緣有更小的配準誤差。相比于常規手術，增強現實導航技術有利于腫瘤的良好定位和術中獲得無癌邊緣[34]。

2.3.2在腹腔鏡微創手術中的應用

腹腔鏡微創手術可以減小患者的創傷，縮短康復時間；但其視野有限，缺少深度感知和觸覺反饋，無法通過觸診確定血管、腫瘤等的位置[37]。將腹腔鏡圖像與增強現實圖像相結合可能是解決這些問題的可行方法。

結直腸癌肝轉移灶（CRLM）是否完全R0切除，是關乎轉移性結直腸癌患者預后的重要因素，而現在的化療技術可以使腫瘤縮小到術中無法識別的程度，稱為CRLM的缺失[38]。針對這一問題，Ntourakis等[39]應用增強現實技術，將化療前影像的虛擬建模與術中肝臟腹腔鏡圖像相融合，為3例轉移性結直腸癌肝轉移患者進行了轉移瘤切除術，術后病理報告顯示所有轉移瘤均完全切除，表明AR技術是解決轉移瘤遺漏問題的良好方案。在腹腔鏡狹小的圖像中，任何微小的改變都會被放大，這項研究的最大缺陷就是沒有考慮到器官變形的問題，目前也有許多研究針對這一問題進行了探討。Simpfend o rfe等[40]引入了術中CBCT，通過同時觀察三維 AR圖像與腹腔鏡圖像的疊加，及二維CBCT透視的AR圖像，來進行部分腎切除術，10例手術均成功完成。而Kong等[41]在腎臟表面插入涂有近紅外熒光涂料的螺釘，術中通過近紅外攝像機對熒光的捕捉，來驅使增強現實圖像發生形變，避免了術中CT掃描所帶來的額外輻射。在腹腔鏡微創手術中，增強現實技術在幫助醫生快速識別病變及關鍵解剖結構、避免不必要的穿孔、增加空間感等方面，均體現了良好的應用效果。

除上述領域外，增強現實技術在骨科[42-43]、婦科[44]、眼科[45]等也有應用報道，包括骨盆和髖臼骨折復位手術[42]、胸腰椎椎弓根螺釘植入術[43]、子宮肌瘤切除術[44]、眶內腫瘤摘除術[45]等。

3　總結和展望

隨著科學技術的不斷發展，將計算機技術用于醫學領域，以輔助診斷和治療，成為了未來醫學發展的一大趨勢。在此基礎上所形成的計算機外科導航技術、醫用機器人、增強現實及虛擬現實技術等，都為外科手術的安全性和精確性提供了進一步的支撐。

目前，國外已將增強現實技術與計算機導航技術相結合，比傳統的導航技術更具獨特的優越性。傳統導航技術最大的缺陷就是患者與導航系統所用的圖像之間缺乏直接的空間關系[46]，需要通過相應的解剖標志及空間想像能力來將兩者聯系起來。增強現實技術則可通過將虛擬建模圖像與真實患者之間直接疊加，減少了主觀想象，提高了手術的準確性。同時，傳統導航技術需要在術中交替觀察圖像顯示器及術區，以此來實現導航圖像與患者連續的比較[47]，需要極強的手眼協調能力，連續切換視線也容易造成視覺疲勞。增強現實技術可以實現同時觀看導航圖像及真實患者，極大地增加了手術的安全性。最后，傳統導航技術是單點導航，只能顯示一個點的導航信息，而增強現實技術可以顯示整個完整的導航圖像，有利于對手術整體的把握。

國內對增強現實技術的應用尚處于起步階段，還有很多方面需要進一步發展：①虛擬建模圖像與實際患者匹配方法的改進及精度的提升。這是增強現實技術應用的核心，要求用于配準的標志不能限制手術操作，術中能實現自動配準，且在移動時還能保持良好的穩定性。②虛擬建模圖像能夠隨術中的實際情況而改變。目前的增強現實技術所用的圖像均是根據術前影像資料所重建的，有可能與術中實際情況不完全相同，尤其是在軟組織區域，需要進一步研究適用于形變器官的增強現實技術。③與導航技術相結合，提升精確定位能力。目前的增強現實技術大多只有一個單純的增強現實圖像，無法精確測量目標結構的深度，只能用于參考，將其與計算機導航技術相結合，可能是未來的發展的一個方向。

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