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2019,  1 (1):   113 - 120   Published Date:2019-2-20

DOI: 10.3724/SP.J.2096-5796.2018.0002
1 引言2 AR在医学中的应用2.1 术前应用2.2 术中导航3 关键技术3.1 显示技术3.2 注册技术3.2.1 基于传感器的跟踪注册方法3.2.2 基于计算机视觉的跟踪注册方法3.3 交互技术4 总结与展望

Abstract

As a new technology from the development of VR (Virtual Reality), AR (Augmented Reality) has been focused on various industries and research institutions in recent years, and got greater development. Augmented reality with 3d registration has been applied in many areas. This article mainly talks about AR’s application in craniomaxillofacial surgery in recent years, introduces preoperative and intraoperative navigation application of VR and AR, and summarizes the key technology of AR: Display, Registration, Interaction. Then we discusses the currently existing problems in the application of AR technology in surgery and prospect the development trend of AR technology in surgical application.

摘要

增强现实(Augmented Reality,AR)作为从虚拟现实(Virtual Reality,VR)发展延伸出的一个领域,近年来受到各个行业及科研机构的高度关注,并得到了快速发展,其采用三维注册虚实结合的方式,在诸多领域得到了广泛应用。本文完整论述了近年来增强现实技术在医学颅颌面整形手术中的应用,从术前应用和术中导航两个角度介绍了国内外VR技术和AR技术在手术中的应用,详细阐述了AR在应用过程中的关键技术,包括显示技术、注册技术和交互技术,涵盖了AR的所有技术要点,探讨了目前AR技术在手术应用中存在的难题,对未来AR技术在手术应用中的发展趋势进行了展望。

Content

1 引言
增强现实技术近年来得到了广泛关注。1990年,波音公司研究员Tom Caudell首次提出 “Augmented Reality”(增强现实,AR)这一名词[1],自此增强现实的概念逐渐形成,并逐步完善清晰。1997年,北卡罗纳大学的Ronald Azuma教授提出AR是虚拟现实(Virtual Reality,VR)的一种延伸,并使用三个基本要素定义了AR:(1) 虚实结合;(2) 实时交互;(3) 三维注册[2]。这三个要素表明了AR与VR的区别,VR是指利用计算机模拟产生一个虚拟的三维世界,并提供给用户各种感官的模拟,包括听觉、视觉、嗅觉、触觉等,其主要特征为:沉浸(Immersion)、交互(Interaction)、构想(Imagination)。而AR更注重在真实世界中融入计算机系统所生成的虚拟信息,也就是AR的第一个要素——虚实结合。
目前AR在各个领域皆有应用。最早是在军事领域,如飞行员的训练。随着技术的成熟逐渐普及至其他领域:如在工业制造领域中进行流水线或者装配的引导;教育领域中的培训教学,部分教科书已设置AR功能,使用智能手机扫描书中配图即可直接显示相应模型或视频;娱乐领域中各种AR游戏的开发,比如前些年的“Pokemongo”。
AR在医学领域中也得到了诸多应用,目前AR技术多应用于脑颅神经外科、整形外科、肝胆胰腺等外科手术中,如德国、瑞士、加拿大等地已有多位学者开展了众多AR技术在脑部肿瘤及脑部神经手术中的应用研究[3—5]。本文主要对近年来AR技术在颅颌面整形手术中的应用进行了全面阐述,并对其关键技术——显示技术、注册技术、交互技术进行概括总结。
2 AR在医学中的应用
人体面部结构精巧微细复杂,面部整形手术要求切口细小、平行于大血管、神经,在不影响患者健康的基础上,还要求对患者形象做进一步提升。因此精确、充分、详细地了解所要操作手术部位的解剖结构对手术医生十分必要。
随着时代的进步,CT、MRI等医学影像技术得到了长足发展,面部整形手术也逐渐普及,随着增强现实技术的兴起,诸多研究人员将增强现实技术与面部整形手术相结合,通过降低手术的难度进一步优化手术效果。经分析,这些应用可以从术前和术中两个角度进行分类,术前应用如术前规划以及手术训练更偏向于VR技术,而AR技术的应用则主要集中于术中的导航。
2.1 术前应用
术前规划(Preoperative Planning, PP)即在手术前获得患者手术部位处的图像,结合医生的专业知识,如解剖学、病理学等,规划手术方法、流程、手术切口与路径等手术方案。手术训练则是对这些手术方案进行反复预演、练习,在术前进行充分准备,从而更好地执行术中操作。
2005年,美国斯坦福大学的Schendel等人对婴幼儿唇腭裂手术开发出一套虚拟手术训练系统。在系统中,Schendel等人通过CT重建了患者模型,并采用力觉传感设备,使医生可以通过该设备操控虚拟手术器械,在患者模型上进行唇腭裂修复,并能够感受到力觉反馈。通过对照实验表明,经过该系统训练的医生具有更好的手术表现[6]
2009年,亚利桑那州立大学的Vankipuram等人研制出一套骨科虚拟钻孔训练系统。钻孔对于骨科医生(包括颅颌面整形医生)来说是一项重要的手术操作。该系统通过Phantom传感器为钻孔操作提供力觉反馈,通过单位立方格的方式精确模拟模型与钻孔的接触行为,并根据不同骨成分结合医学专家的反馈设定了虚拟骨骼钻透的阈值,采用平板设备作为虚拟模型的显示方式,并进行了对照实验,效果良好[7]
2011年,香港中文大学的Heng等人开发了一套下颌角截骨手术仿真训练系统。下颌角切除术中使用的锯片或者磨头都是高速往复运动,手术的成功与否十分依赖于医生的经验。该套仿真训练系统建立了力学模型,还原仪器在平移、旋转等运动的接触力及扭矩,采用沉浸式交互很好地提升了医生的操作经验[8]
2013年,瑞典Uppsala大学的Olsson等人设计了一套下颌骨骨折修复规划训练系统,该系统以一例较为复杂的下颌骨创伤骨折为例,使用一对光学单元追踪器置于使用者的头部,并通过匹配面板显示模型显示出所要的呈现角度[9,10]。训练的器械连接于力学传感器Phantom上,向使用者提供力觉反馈。同年,上海生物医学制造与生活质量工程研究所的Lin等人开发了一套颌面骨锯手术培训系统,应用于上颌骨截骨手术训练[11]
根据最近的文献分析,在颅颌面部的术前规划以及手术训练中,VR技术已成为趋势,并大都采用力传感器反馈力觉信息,模拟医生真实的手术环境,从而提升手术效果。但是手术训练系统中的力觉反馈与真实手术过程中错综复杂的力觉环境还有一定差距,尤其是现阶段对触觉的反馈研究尚处于发展阶段。在VR技术中模型是十分重要的对象,手术训练过程中软组织的形变至关重要,目前国内外相关手术训练中对软组织形变的仿真研究还处于发展阶段。
2.2 术中导航
通过术中导航,医生将术前设计的手术方案在术中准确地应用于患者,从而提高手术的精度,提高安全性,提升手术效果。
2005年,德国Heidelberg大学Marmulla等采用AR引导完成了鼻部整形手术,术前通过使用表面扫描仪获得患者面部表皮的三维轮廓,采用导航系统将其进行三维重建,将术前CT数据与术中表面扫描结果进行曲面拟合,投影仪将导航信息实时投影到医生的术野,为避免患者皮肤水肿而导致表面拟合误差增大,术中还设置了一块标志物,通过咬合的方式与病人上颌骨相连,以作为配准的备用方案[12]
2006年,德国科隆大学Robert等人基于移动平板显示设备为面部骨骼修复手术提供导航,包括下颌角截骨术、额眶推进术等。采用NDI光学追踪装置进行反光球追踪,同时追踪患者手术目标骨骼以及平板显示设备,计算模型显示角度,并将其渲染在平板前端摄像头所获取的视频流中显示出来,精度可达1mm以内。利用该系统成功进行了5例患者的手术[13,14]
2011―2017年,上海交通大学医学院附属第九人民医院成功采用AR技术(部分结合机器人技术)进行了颅面部整形手术,如眶间距增宽症手术、下颌角截骨术、半面矮小畸形矫正手术,术前通过CT获得患者数据,并进行三维重建,通过三维打印得到1︰1比例的模型,进行手术方案的预演。采用光学追踪标志板的方式进行配准,标志板通过3D打印的牙齿咬合板或下颌骨导板与患者固连。术前规划方案经AR系统处理,并与标志板进行配准,然后通过头戴式显示设备nVisor ST60 (NVIS Company, USA)呈现于术者眼前,通过光学透视的方式与手术真实术野相叠加[15—19]
2011年,瑞士伯尔尼大学Gavaghan等人利用一个便携投影装置展开了增强现实的模型实验。通过使用Vicra(NDI)光学红外追踪设备追踪投影仪投影以患者骨骼,并对投影仪投射的图像进行几何校正,最终投射至患者手术目标区域,并进行了肝脏手术、颅颌面手术、骨科手术、活检等方面的定性实验,为AR在术中的导航提供了一种新的尝试[20]
2013年,北京航空航天大学的Wang等人开发出一套用于牙科手术的AR系统,采用立体相机双目视觉进行实时光学追踪,病人与虚拟图像通过轮廓拟合对齐,术者通过光学透射式头戴显示器进行观察,在该套系统中,病人身上不需要安置标志点,术中病人头部可以活动,图像实时拟合[21,22]
2013年,中国台湾“中正大学”Lin等人将AR技术与手术导板相结合,引导进行牙科种植手术,在四个全缺齿下颌骨模型和四个部分缺齿上颌骨模型上完成了模型实验。实验采用视频透射式头戴显示器(Sony HMZ-T1),术者通过视频观察叠加虚拟信息后的术野,采用CCD光学传感器与标志板进行配准[23]
2010—2014年,上海交通大学陈晓军等开发出一套头戴式AR手术系统——SNS系统,由图形工作站(HP)、平面显示器、光学追踪设备(Polaris Vicra, NDI Inc, Canada)以及头戴式光学透视显示器(nVisor ST60, NVIS, United States)组成,可完成下颌骨截骨手术导航等工作[24,25]
2014年,意大利Bologna大学的Badiali等进行了AR技术在颌骨正颌手术中应用的模型实验,此系统使用了轻便的立体呈像头戴式显示器(Z800 instrument of eMagin, Bellevue, WA, USA)。在HMD前方固定两个USB SXGA 相机(uEye UI-1646LE, IDS, Obersulm, Germany)。真实世界与虚拟信息间的校准通过处理相机捕捉到的视频帧及配合追踪系统实现。实验过程中,根据固定于模型额头的三个标志球与上颌骨牙齿上方设置的三个孔,作为标志点实施校准,指导术者进行截骨[26]
AR技术在术中导航的广泛应用得益于其虚实结合的特点,施术者同时观察到患者手术目标区域及虚拟模型,避免了频繁的视线转移,同时能够更直观地了解手术的操作路径,提高手术的精确性,缩短手术时间,降低手术的感染率及并发症。在AR术中导航应用中,精度以及深度是十分关键的问题,目前AR往往依靠光学追踪,配准精度往往通过提高摄像头的品质及提升识别算法来提高,目前平均误差可达1mm以内。而深度问题目前尚未得到良好的解决,虚拟物体与实际患者的相对深度不能在医生的术野中得到良好体现。
3 关键技术
3.1 显示技术
VR、AR需要一个展示虚拟世界的媒介。增强现实系统把计算机生成的虚拟世界叠加显示在使用者的视野中。截止目前,增强现实的显示技术可分为以下几种:头盔显示器显示、手持式显示器显示、投影式显示、普通显示器显示[27,28]
(1)头盔显示器显示(Head-mounted Display, HMD):增强现实中的头盔显示器又可分为视频透视式显示(Video See-through)和光学透视式显示(Optical See-through)。视频透视式显示器通过摄像机对使用者的真实世界进行同步拍摄,通过计算机系统将要展示的虚拟物体叠加渲染在摄像机获取的视频中,然后输出至由光学组合成的显示器中,从而达到增强现实的效果。
光学透视式显示是利用半透半反的光学合成器实现增强现实的显示效果,使用者可以通过半透镜直接看到所处的真实环境,而计算机系统所生成的增强图像信息也可以借助半透镜反射,显示在使用者的视野中。
(2)手持式显示器显示(Hand-held Display, HHD):增强现实系统也可采用手持式显示器,如基于安卓或者iOS的移动平台,可以利用自身强大的处理器、高分辨率的相机等实现增强现实显示。
(3)投影式显示(Projection Display):投影式显示是利用投影设备将计算机系统所生成的虚拟信息直接投影到需要叠加的真实世界中,从而实现增强。实时投影技术需要解决图像的精准定位与形变问题。系统需要根据使用者的观测角度、观察区域和真实世界的深浅结构等,通过实时快速地运算和渲染,以准确的视角向使用者呈现相关图像信息。
(4)普通显示器显示(Monitor-based Display):增强现实系统也可以通过普通显示器显示,这种方式和视频透视式头盔显示类似,计算机系统将需要展示的虚拟信息叠加在摄像机所获得的真实世界视频上,并通过普通显示器显示。
3.2 注册技术
增强现实中的注册是指将计算机系统所生成的虚拟信息与用户所处的真实世界进行配准的过程,是增强现实系统中最为重要的技术。注册技术主要分为以下两类:基于传感器的注册技术,基于计算机视觉的注册技术。
3.2.1 基于传感器的跟踪注册方法
根据传感器的不同类型,跟踪注册又可分为以下5种方式[29]
(1) 基于电磁传感器的注册方式:电磁定位由磁场发生器、传感器以及主机3个主要部分组成,磁场发生器形成一个可知强度和分布的交变电磁场,传感器安放在被跟踪的手术器械上,当磁场变化时,传感器接收线圈内产生感应电流,并将该电流强度信号传给主机,主机计算该电流强度信号,从而得到传感器相对磁场发生器的位置和方位。
(2) 基于光学跟踪的注册方式:利用传感器件探测目标对象上所安装的光源(如LED)所发射的光线,得到目标物体的位置与姿态。
(3) 基于超声传感器的注册方式:利用发射超声波,得到接收装置相应的位置。
(4) 基于惯性传感器的注册方式:惯性传感器主要有加速度计(测量线性加速度)和陀螺仪(测量角加速度),可通过积分等运算推导出目标物的位置与姿态,但是误差往往跟随时间累积。
(5) 基于机械连接定位的注册方式:利用机械机构联接跟踪,采用连杆机构或弹簧进行连接,通过角度长度、弹簧弹性系数等计算距离。
3.2.2 基于计算机视觉的跟踪注册方法
基于计算机视觉的跟踪注册方法根据原理可分为2种:一种是基于仿射变换进行跟踪注册,给定三维空间中的任意非共面的四个点即可得到全局仿射坐标系,这四个点往往采取人工标志点(如反光球阵列或者标记板),或者自然特征点;另一种方式是基于对相机进行定标注册,需要得到相机镜头的焦距、中心、传感器像元的高度、宽度、高宽比等参数,根据这些参数和获取的图像来计算相机的位置和方向,是一个从三维空间向二维成像平面转换的过程[30,31]
3.3 交互技术
目前存在的增强现实交互技术主要有以下5种:
(1)传统的鼠标键盘输入方式:用户通过鼠标对虚实结合场景在屏幕上显示的混合图像进行点击操作,从而获得二维空间的图像点坐标,再利用计算机视觉中立体视觉算法,恢复二维鼠标输入点在视界坐标系中的三维坐标,最后根据这个坐标信息相应的改变虚拟物体在虚实结合场景中的位置。
(2)便携硬件设备:各个厂商自行设计生产的相对应的输入设备。
(3)手势交互:基于计算机视觉,通过识别手势特征点,与预定义的特征点匹配,不同手势对应不同指令。
(4)语音交互:通过语音识别,提取关键词汇,匹配不同指令。
(5)眼球追踪:通过计算机视觉,跟踪并计算眼球的移动和焦点的变化,从而完成不同的指令。
4 总结与展望
近年来,增强现实技术得到了迅速的发展,在医学上也得到了越来越广泛的应用。通过在手术中应用AR技术进行导航可以很好地引导医生按照术前规划的既定路径进行手术,提高手术的精确性和稳定性,从而提高手术的安全性。
笔者介绍了近年来国内外在颅颌面整形手术中的AR应用研究,通过分析可以看出在术前的规划训练中,VR技术的应用更加广泛,力传感器的加入是必然的趋势,通过力觉与视觉的结合可以更逼真地模拟实际情况。但是就目前而言,力觉传感器在力的方向及种类上仍有很大的局限性,因此可以尝试采用AR技术进行手术训练,通过实际模型与虚拟模型相结合,使用户在视觉与力觉的感受方面产生良好的体验。
AR技术在术中主要用于导航,通过虚实融合,将术前规划方案通过透射或者投影等方式直观地呈现在术野中,更有利于术者快速精确地执行手术。但是,目前术中的AR导航仍存在很多问题,其中最大的问题就是精度问题,颅颌面整形手术对于导航的精确性有很高的要求,跟踪注册的精度和实时性与跟踪范围彼此矛盾,精度或实时性达不到,虚实融合就不能够贴合,也就无法实现精确导航,同时计算能力对精度也有很大的影响。目前AR技术无法较好地显示深度关系,其呈现的虚拟模型与真实的手术器械之间的相对深度无法直观获得,这也为AR手术导航带来了诸多困难。目前的AR导航系统主要采用普通显示器进行显示,术者需要不断地切换视角,而目前已有的头戴式显示器往往视场角较小、分辨率不高,尚难以较好地满足手术的需要。
总体来讲,AR技术的发展日新月异,是多学科交叉融合的技术,包括计算机视觉、图形学、材料、传感器等,需要各个学科协同研究。随着时代发展,AR技术的应用场景与使用价值巨大,未来可期。

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