AR技术在临床手术领域的应用

目录 1 相关背景... 1 www.xilukeji.com 加强现实技术介绍... 1 www.xilukeji.com 加强现实发展历史... 1 www.xilukeji.com 加强现实技术原理... 1 www.xilukeji.com AR技术在临床手术领域的具体应用... 3 www.xilukeji.com 国外现状... 3 www.xilukeji.com 国内现状... 4 www.xilukeji.com 市场... 4 2 技术预见... 6 www.xilukeji.com 追踪技术... 6 www.xilukeji.com 环境感知... 6 www.xilukeji.com 跟踪用户动作... 7 www.xilukeji.com 显示技术... 7 www.xilukeji.com 交互技术... 8 www.xilukeji.com 建模医学图像... 8 www.xilukeji.com 技术路线图... 8 3 社会调研... 10 www.xilukeji.com 问卷调查... 10 www.xilukeji.com 专业访谈... 12 www.xilukeji.com 美国学生的反馈... 13 4 创新设计方案... 14 www.xilukeji.com AR技术创新设计方案... 14 www.xilukeji.com 高新技术企业创新设计方案... 14 www.xilukeji.com 国家政策... 15 结论... 16 参考文献... 17 附录1：社会调查问卷... 19

近年来，现实得到了加强(Augmented Reality)技术(以下简称AR技术一直是媒体和市场的热门话题之一。然而，就AR就技术本身而言，它并不是一项特别新颖的技术。AR技术源于人类在现实世界中投影虚拟场景的美好想象，所以早在几个世纪前，欧洲剧院就用物体暗淡的投影来装扮表演人物。由计算机合成的现代增强现实技术起源于20世纪60年代MIT的Surland[1]。他发明了一个基础CRT与安装在天花板上的机械跟踪系统连接的光学透视头戴式显示器PDP-计算机和自定义图形硬件。后来，超声波系统取代了笨重的机械跟踪器。他们的系统将必要的显示、跟踪和计算组件结合起来AR该系统提供了宝贵的经验。随着电子计算机计算能力的快速提高，增强现实技术的快速发展。到20世纪90年代，一些关于增强现实技术的基本技术，如跟踪技术、虚拟物体显示技术和用户交互技术，已经被广泛研究，增强现实已经开始应用于许多领域。Rekimoto[2]使用AR该技术开发了一套工具，可以加强人们在工作中的面对面合作，允许人们通过AR系统与远程同事面对面交互。增强现实技术也广泛应用于医疗领域。比如腹腔镜手术的可视化[3]，患者体内X射线的可视化[4]，图像引导手术的[5]。

自20世纪以来，随着移动设备和互联网的大规模普及，AR技术开始逐渐走出实验室和研究所，逐渐应用于普通人的生活，进入商业应用阶段。新西兰HIT2007年，实验室成立了世界上第一个移动实验室AR应用。他们与当地动物园合作，通过移动设备在印刷报纸广告上投影虚拟动物形象。2013年谷歌发布Google glass，成为应用AR第一个成熟的可穿戴设备。经过50多年的发展，AR技术仍在快速进步。相信不久的将来，AR技术将给我们的生活带来真正的变化。

AR该技术是一种利用计算机技术在现实世界中整合虚拟物体的交互技术，使人们能够在现实中与虚拟物体互动。AR在技术出现之前，人们在计算机中构建虚拟模型并显示在计算机显示器上。然而，这是一种二维显示技术。人们只能通过鼠标和键盘观察显示器上的图片并与之交互。在计算机上构建和实用的三维模型突出了这种交互方式没有替代感的缺陷。对于生活在三维世界中的人类来说，如果有一种交互方式使人与虚拟物体的交互与显示物体的交互没有区别，那么这种方式是一种更准确的方式，符合人类的直觉。AR技术构建了连接现实和虚拟的桥梁。如图(www.xilukeji.com)增强现实是混合现实技术的一部分。它在实际环境的基础上，将虚拟物体集成到实际场景中，人类可以通过特定的设备观察到虚拟物体并与它们互动。相应地，增强虚拟技术是一种交互技术，它使用虚拟场景来替换现实场景，然后将现实对象集成到虚拟场景中，其虚拟程度高于增强现实。

图www.xilukeji.com：虚拟与现实的过渡[7]

根据被广泛接受的定义，AR技术包括三个关键要素[6]。

1) 结合现实场景和虚拟元素

2) 能实时交互

3) 三维显示

满足这三个特点AR该系统的技术要求是，它必须有一个可以组合真实和虚拟图像的显示器；一个可以生成交互式图形的计算机系统，以实时响应用户输入；以及一个可以找到用户视点位置的跟踪系统，以便在真实环境中准确地显示虚拟图像。

随着移动设备计算能力的提高，目前的实用设备主要是可穿戴设备，如智能眼镜、可穿戴投影设备和智能手机。小型交互式图形计算任务主要依赖于设备本身，而工业建模设计等大型图形的计算依赖于云计算服务器。

增强现实技术主要包括跟踪技术、显示技术和交互技术。

跟踪技术是指显示在显示场景中的虚拟物体应该像它是现实世界的一部分一样固定。为了将虚拟物体固定在现实场景中，必须确定观察者在现实世界中的观测点（位置和方向）。基于特定的技术和应用程序，真实世界的固定点可以是物理对象，如磁跟踪源或图像标记或使用GPS确定空间中的位置。

显示技术是指在现实场景中实时显示虚拟物体的技术，包括裸眼光学投影、显示现实等。显示技术的目的是让用户同时看到虚拟物体和现实环境。因此，如何将虚拟物体集成到现实环境中，并在人类视网膜上投影，是人类看到的关键问题。光学投影依靠可穿戴设备直接在人眼前投影相关图像，而显示器只在屏幕上显示集成虚拟物体的摄像头图像，人类通过观察屏幕获得增强现实信息。

交互技术的目的是使人类能够像实际物体一样与虚拟物体交互。主要问题是输入人类指令。AR该系统可结合各种输入方法。从键盘、鼠标、触摸屏输入等传统二维用户界面，到手持设备、语音、手势等三维多模式接口。不同的输入模式对应于不同的实际应用，输入模式会随着应用的不断丰富而不断发展。

20世纪60年代，增强现实技术起源于美国，在发明初期被认为广泛应用于医疗手术领域。如1997年Leveton等人用增强现实图像引导医生进行手术[5]；1998年Fuchs[3]等人成功利用增强现实技术实现腹腔镜手术的可视化；2007年Merten在增强现实技术的帮助下，等人为脚粉碎性骨折患者建立了脚骨虚拟模型(见图)(www.xilukeji.com))，为医生的诊断和后期手术提供了重要帮助。近日，日本微软公司利用Hololens平台，将3D图像显示给医生，并准确匹配病人的病变组织，以帮助手术。近日，日本微软公司利用Hololens平台，将3D图像显示给医生，准确匹配病人的病变组织，辅助手术。增强现实技术在国外发展多年，大量基础研究为医疗领域的应用奠定了坚实的基础。目前，增强现实技术的主流发展方向仍。

图www.xilukeji.com：利用AR足部手术辅助技术

中国的增强现实技术起步较晚，计算机技术完全落后于国外。因此，国内对增强现实技术的基础研究较少，一般局限于应用水平。随着虚拟现实和增强现实概念自2010年以来的普及，中国也开始研究增强现实技术的临床手术。目前，它主要集中在外科导航和外科教学系统领域，其中有代表性的公司包括触觉技术和医疗微信。

医疗、零售、汽车等不同行业的应用范围不断扩大，预计将促进预测期内的需求。著名的技术咨询公司Gartner根据2017年技术发展轨迹报告，现实技术正处于萌芽阶段。从图(www.xilukeji.com)可见，现实技术的增强还处于技术成熟期，预计5-10年后将得到广泛应用。可见，增强现实技术具有巨大的增长潜力，吸引了大量投资，为行业增长做出了贡献。

图www.xilukeji.com：Gartner技术发展轨迹图

在市场规模方面，2018年实际市场规模增长18亿美元，市场规模小，市场潜力巨大。增强现实技术的盈利方式主要有两种:销售增强现实设备和提供增强现实服务。其中，设备销售主要包括智能眼镜、增强现实游戏机、增强现实医疗设备等，服务主要包括增强现实娱乐内容和虚拟模型建设。目前，硬件设备是增强现实的主要瓶颈。我相信，在未来，增强现实利润点仍将在硬件设备中。实际技术标准完全成熟，硬件设备普及后，利润点将逐步向软件转移。根据名称调查机构Grand View Research预测结果见图(www.xilukeji.com),AR近10年技术市场规模将呈指数级增长，市场空间巨大。

图www.xilukeji.com：全球AR技术市场规模预测图

同时，AR医疗领域的技术发展也很快。自2010年以来，AR/VR近年来，医疗领域，特别是智能医疗设备，受到投资机构的青睐AR医疗设备初创公司相继获得巨额融资。2017年，AR医学影像公司EchoPixel投资英特尔资本850万美元；AR手术平台公司Beyeonices融资1150万美元。可见投资机构普遍正确AR在医学领域的应用有很大的信心。图(www.xilukeji.com)对投资机构AR医疗市场规模的估计可见AR未来10年，医疗市场规模将保持较高的增长率。

图www.xilukeji.com：全球AR预测医疗市场规模

作为一种系统技术，增强现实在临床手术中的应用，包括许多复杂的具体技术，从虚拟模型构建到与现实环境相结合，再到实现人与虚拟模型的交互。目前，学术界将加强现实技术主要分为跟踪技术、显示技术和交互技术三部分，加强现实技术应用于手术领域，解决人体器官模型建设问题，分别分析现状，根据技术现状和文献研究结果进行技术预测。

增强现实系统必须能够感知环境，跟踪观察者的运动，最好有6个自由感知。3个变量(x, y, z)表示空间位置，3个角度(偏航、俯仰、滚动)表示方向[10]。在现实环境中，必须有一些模型可以在匹配模型和现实时为增强现实系统提供参考，这意味着必须有一些预设的环境因素。但事实上，这样的条件很难满足。并非所有环境都能找到跟踪技术的参考点，也不是所有环境都有固定的参考点。所以直到今天，确定用户的方向仍然是一个复杂的问题，没有单一的最佳解决方案。

增强现实系统必须能够感知用户当前的环境和位置，以便根据用户的环境显示不同的内容。在大多数情况下，增强现实技术并不需要对环境进行详细的描述，因为它忠实地再现了环境，并显示了虚拟模型。

但在临床手术中的应用完全不同。临床手术对精度要求很高。人体器官是一个紧密相连的复杂系统，随着人体运动、呼吸等微小运动，人体器官的位置和大小不断变化。这给真实器官与虚拟器官模型的精确匹配带来了巨大的挑战。准确性问题，即如何准确感知患者手术中器官的微小变化，并反映在虚拟模型的显示上，成为限制AR技术发展的瓶颈之一。

目前，感知技术一般通过基于高清摄像头的计算机视觉系统实现，摄像机拍摄真实环境，如患者病变、教学模型等，然后将图像数据传输到计算机进行处理。由于缺乏有效的医疗检测手段，目前的医疗检测设备都是静态检测设备，未来感知技术的发展仍将以视觉感知为主要手段。随着深度学习的不断发展，计算机的图像处理能力得到了飞速提高，图像目标检测、目标分割的方向也取得了长足进步，这将成为增强现实感知技术的又一突破点。

对于一般的增强显示系统而言，与虚拟环境相比，用户追踪设备必须具有更高的准确性，更宽的输入变化和带宽以及更广的范围[6]。配准精度不仅取决于几何模型，还取决于要匹配的物体的距离。距离越远，位置跟踪中的影响误差越小。在室内环境下，追踪通常比在室外环境中更容易，因为追踪设备不必大范围移动。

而在临床手术应用当中，情况也稍有不同。手术全都在封闭的室内完成，而且系统使用者——医生在手术过程中与病人的位置相对固定，因此手术增强现实系统的问题更多在于提升精确度而非适用范围。目前的用户追踪手段主要有固定磁性标记、固定视觉标记、全球定位系统、惯性制导系统和光学系统。其中除光学系统之外的手段全都存在精度过低的情况。如全球定位系统精度一般在10米左右，并不适用于手术这类精细场景。光学系统利用多个摄像机的多角度拍摄，定位使用者的位置和方向，从而实现虚拟模型的精确显示。目前手术系统中一般采用这种方式。光学系统在手术室这种稳定、少干扰的情况下性能优异，能准确追踪使用者的6自由度运动。

目前主要的显示设备主要包括头戴式和手持式。头戴显示器包括视频/光学透视头戴式显示器（HMD），虚拟视网膜显示器（VRD）和头戴式投影显示器（HMPD）。手持显示器包括手持视频显示器、光学透视显示器以及手持投影仪[10]。头戴显示器解放了人的双手，便于活动；缺点是显示设备必须连接到计算设备，这样限制了设备的移动性，而目前大带宽、低延迟的无线通信技术尚未普及，5G技术有望解决这一问题。手持显示器更加笨重，由于生产成本低且易于使用，成为目前将增强现实引入大众市场的最佳解决方案。增强现实游戏Pokemon go就是手持显示设备的极好范例。

在临床手术领域，由于医生需要进行手术操作，因此头戴式设备成为唯一选择。用于辅助手术的头戴式显示器并不需要有很高的移动性，可以采用有线连接，这样就解决了头戴式设备的续航问题和传输问题。头戴显示器中虚拟视网膜显示器准确度最高，它是将虚拟图像直接投影到人眼视网膜上来实现虚拟模型显示，相比于依靠二次反射的透视式和投影式有显著优势，以后医疗增强现实显示技术的发展方向将沿着这一方向发展，并逐步提高移动性、续航和独立计算能力。

增强现实系统需要提供虚拟对象和真实对象的某种接口，以便人类能够和这些虚拟物体互动。这对于连接物理世界和数字世界有重要意义，通过交互技术，曾经冷冰冰的数据将变成看得见摸得着的具体形象[11]。目前主要的交互方式包括平面用户界面、三维用户界面、触觉、手势和姿态捕捉、语音识别、视线追踪和人机共生。交互方式多种多样，采用的技术也十分广泛。用户界面类的交互方式一般用于人和机器的交互，只是用增强现实的方式实现了传统的人机交互界面。触觉、手势、语音、视线更加接近人和现实世界的原本交互方式，我们就是用话语和手势与人交流，用触觉感受世界，用视线来表达关注的。人机共生利用体内植入传感器收集生理信号，如皮肤电反应，脑电图（神经活动）或肌电图（肌肉活动）等数据，以监测生物活动。这为增强现实系统提供了新颖的交互方式，目前植入传感器还处于研究阶段。

在临床手术中，交互方式更偏向于自然直接的交互方式，如触觉、手势等；人机共生技术和医疗领域有着紧密的联系，它可以直接提供手术中所需的生理监测信号，相信随着植入传感器的进一步发展，人机共生技术将在临床手术AR系统中扮演重要作用。

人体是世界上最复杂的系统之一，众多人体器官协同工作组成了这个异常复杂的系统。临床手术中稍有差池都有可能对病人生命健康造成严重后果。因此用于临床手术的增强现实虚拟模型必须十分准确。以最复杂的脑部手术为例，由于个体差异的存在，每个病人脑部的形状、大小、结构都有所不同[15]。因此用作手术辅助的虚拟人体器官模型必须十分精确，而且要能反映出不同人器官的差异。目前的医学探测手段主要是静态平面探测和立体探测。平面探测主要有X光射线，立体探测主要有CT技术和核磁共振技术。3D医学图像重建技术使用现有医学探测手段得到的图像，将平面的或者分层的检测图像重建为三维器官模型[12]。目前的重建技术主要基于CT检测结果，重建算法利用CT检测得到的大量断层二维图片重构三维器官模型。目前的技术主要有表面阴影遮盖技术、容积漫游技术、曲面重建技术和虚拟内镜技术等[14]。这些技术分别适用于不同形态的器官，在临床应用中均取得了良好效果。

增强现实在临床手术中的应用横跨计算机科学、计算机视觉、传感器、通信、临床医学、人体工程学等诸多学科，技术涉及面极广。使用增强现实技术辅助临床手术的实现，取决于多学科共同发展的结果。上文中按照不同的技术类别将临床手术中的增强现实技术做了分析，结合相关文献研究热点的基础上[9]，我们绘制了用于临床手术的增强现实系统技术路线图，见图(www.xilukeji.com)。从技术路线图中可以看到，未来追踪技术和图像处理将更偏向以深度学习为代表的智能技术，显示器和传感器将更偏向于与人体器官高度关联的技术，如视网膜显示器和人机共生技术。

图www.xilukeji.com：AR辅助手术技术路线图

我们的社会调研主要从两方面展开。首先，针对广大社会群体，我们设计了有关AR在临床手术应用中的调查问卷；其次，由于AR技术和医疗领域的特殊性，仅有普通群众意见是远远不够的，因此我们还分别采访了相关专业人士，了解了他们对AR技术在临床手术中应用的意见；最后，我们还对同组美国同学进行了采访，了解了他们对AR手术发展的一些意见和建议。

我们分别就群众对AR技术的熟知程度、经济因素、观念接受度、心理预期和发展意见等方面设置了问卷问题（见附录一）。此次调研采用网络问卷的形式，共回收有效问卷124份，达到了预期效果。

根据年龄分布图(www.xilukeji.com)可知，调研群体主要集中在18-28岁和40-60岁两个群体内，可以分别代表年轻人和中年人的意见。根据图(www.xilukeji.com)，答卷者中，拥有大学本科学历及以上者达到了www.xilukeji.com，可见受访者普遍具有较高的文化水平。

图www.xilukeji.com：受访者年龄分布图

图www.xilukeji.com：受访者学历分布图

由图(www.xilukeji.com)可知，有www.xilukeji.com的人对AR在医疗领域的应用效果持乐观态度，可见普通群体对AR技术的接受度较高。而由图(www.xilukeji.com)可知，当被问到“假设你需要接受AR/VR辅助的脑部手术，愿意为此支付的价格”时，www.xilukeji.com的人心理预期价格低于2万，可见普通群体对这项新技术在价格上的承受力并不是很高。

图www.xilukeji.com：假设你需要接受AR/VR辅助的脑部手术，愿意为此支付的价格

图www.xilukeji.com：AR医疗是否能很大程度提升就医体验

由图(www.xilukeji.com)可知，目前大家对AR技术的成熟度信心仍然不足，有www.xilukeji.com的人认为AR医疗目前最大的障碍仍是技术不成熟。与之相反的是，图(www.xilukeji.com)表明，www.xilukeji.com的人认为AR技术将在5年内在医疗领域大规模应用，反映出普通群体对目前技术现状仍不甚了解。

图www.xilukeji.com：AR医疗的最大障碍

图www.xilukeji.com：AR医疗大规模应用的预计时间

为了获取专业指导性意见，我们还分别采访了AR医疗研究者、医疗从业者和AR技术从业者，获取了一些专业指导性意见。

l AR医疗研究者

AR/VR在医疗领域的应用前景广阔。AR/VR技术在医疗领域的应用主要包括辅助手术、辅助教学和辅助训练。目前实现技术突破的关键点在于AR医疗辅助的准确程度，也就是怎么精确地将AR模型和实际的人体结合起来。一旦AR技术本身实现突破，它在医疗领域的应用也将快速跟进。

l 医疗从业者

专业医师认为，AR技术将完全颠覆传统手术过程。它可以让身体内的各种结构呈现地更清晰、立体，那么医生手术也会更精确，与之对比，目前微创手术依赖平面显示，缺少景深信息。当然，相比AR技术的先进性，医师们更关心实际使用中技术与成本的平衡。受访医生表示，AR辅助医疗的费用不能超出医疗机构和患者可承受的范围，阻碍新技术运用到实际的往往是经济原因。同时她也指出，人体结构的复杂性将成为技术突破的极大障碍。她说：“人体是系统性的，而且时刻处于动态变化之中，如何利用现有的医疗数据建立准确的人体模型将是AR/VR医疗付诸实际的关键因素。”

l AR技术从业者

AR技术从业者认为，目前AR技术的最大障碍在于用户体验不佳。笨重的头盔、糟糕的显示、卡顿的交互，都很难让用户真正喜欢上AR产品，这也是目前AR产业停滞不前的原因。如何提升用户体验，使得AR产品真正为用户所习惯并喜爱，将是AR大规模应用的前提。

相比于社会调研中受访者对AR医疗的普遍乐观预计，美国同学对AR医疗大规模应用的预计比较悲观。他们普遍认为，AR医疗要大规模应用至少需要10年以上。

同时，他们也提出了AR医疗的用户心理接受度的问题。根据恐怖谷理论[13]，人对AR虚拟对象的好感程度初期会随着仿真度的提高而增加，但到达一定阶段就会进入极度反感的相反状态，之后又会回归正常。随着技术水平的提升，AR虚拟模型的拟真度将不断提升，如何引导用户在心理上舒适地接受和看待虚拟模型也是必须考虑的问题。

图www.xilukeji.com：恐怖谷理论

根据上文中的技术分析和技术预见，我们已经对增强现实应用在临床手术中的具体技术进行了详细分析；同时我们也进行了广泛的社会调研，了解了社会不同群体对这项技术的了解、认识和需求。

社会调研结果表明，人们普遍认为AR在临床手术治疗上的应用是社会发展的必然趋势。www.xilukeji.com的受访者认为AR技术在医疗领域的应用符合社会发展趋势；同时他们也愿意成为这项技术的使用者，www.xilukeji.com的受访者表示愿意接受AR/VR辅助的临床手术。可见AR技术应用于临床手术存在市场需求。专业访谈结果和社会调研结果一致显示，目前AR技术还没有在临床手术领域大规模应用的根本原因是目前AR技术还不够成熟。结合技术与社会来考虑，我们应该采取何种措施，加速AR在临床手术中的应用呢？我们从技术本身、企业、国家相关政策三个方面进行了创新方案设计。

技术方面，未来实用的AR手术辅助系统必须解决以下4个问题。

1) 实时性

虚拟图像随使用者位置移动和环境变化实时显示。

2) 精确匹配

虚拟模型要和人体真实生理结构更为吻合，包括结构精细度、清晰度、完整性；同时虚拟模型的实际器官的定位匹配也要更加准确。

3) 深度感知

解决模型显示中的聚焦、分辨率、对比度等问题，同时提高深度感知反馈能力。

4) 便携性

设备小型化，佩戴更为舒适。

相关企业应该采取“高低并行”发展模式，从技术和市场两方面入手。

1) “往高处走”

也就是提升技术水平，让这项技术更快地应用在复杂、艰难的手术操作中，如脑部肿瘤手术，解决医疗难题。

2) “往低处走”

也就是通过一些简单的应用，如在医院提供一些小的AR游戏设备，提高群众对这项技术的认可度，拓宽市场渠道。

国家政策层面，我们从产业、群众生活和医疗体系三个方面提出了具体方案。

1) 支持高新企业发展

《中国制造2025》中明确提出支持AR/VR技术相关企业的发展，在目前中美贸易战的大环境下，必须认识到谁能占据技术高点，谁就能在日后的国际竞争中占据主动。因此国家应该大力支持高新技术企业的发展，给与相应的优惠政策。

2) 医疗保险政策

从社会调研中可以看到，民众对AR辅助手术的价格承受力较低，因此可以考虑将AR技术辅助临床手术纳入医疗保险当中，降低民众经济负担。

3) 健全监管体系

AR手术辅助技术在持续的发展中，肯定会出现一些诸如成熟度不够就贸然应用此类的问题，因此国家要尽早完善相关法律法规，健全医疗监管体系，让AR手术辅助技术能真正做到造福于社会。

本文就AR技术在临床手术中的应用技术，首先对其进行了详细的技术细节分析，对各个分技术领域做出了技术预见；同时进行了广泛的社会调研，分别从普通群体和专业人士两个角度征集对AR技术在临床手术中应用的意见。在技术预见和社会调研的基础上，分别从AR技术、高新企业、国家相关政策三个方面进行了创新方案设计。

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1. 您是否知道AR/VR技术？

是，否

2. 您是否想象过AR/VR技术用在医疗领域？

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