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XR技术在手术中的应用调研

ersaijun 2023-07-01 08:00:02

简介XR技术在手术中的应用调研

虚拟现实、增强现实、混合现实等概念和技术是最近几年发展起来的，相信你对去年大火的元宇宙深有感触，元宇宙属于虚拟现实的技术范畴，头号玩家电影也让虚拟现实走进大众的视野中。早在2015年，笔者参加一次展会时就有接触，通过扫描二维码，能够立体三微显示，并有动画功能，这类应用属于增强现实了。经过这些年的发展，XR技术有了更大的进步。那么在医学手术中有哪些应用呢？

1 XR技术介绍

XR，全称是Extend Reality，技术包括VR（Virtual Reality，虚拟现实）、AR（Augmented Reality，增强现实）、MR（Mixed Reality，混合现实）。

用通俗的话解释就是，虚拟现实是用户通过戴上VR眼镜，或者移动手机，屏幕里显示的内容全部是编辑的虚拟场景，与现实世界没有关系；增强现实是通过设备，比如谷歌眼镜，能够将虚拟的物体映射到现实世界中，在现实世界中叠加，比如宝可梦Go，虚拟出来的物体在现实世界中能够展示、运动等，但是与现实世界没有交互，可以理解为仅仅的叠加。混合现实，是虚拟物体在现实中显示并且可以与物体交互，即虚拟物体通过识别物理世界通过某种新式叠加到物理世界，同时，物理世界的交互，比如视线遮挡、旋转、物理位置等，可以作用到虚拟物体上，产生相应的动作，比如微软的hololens眼镜属于增强现实产品。

2 XR技术在手术中的应用

近些年，XR技术在行行业业开始尝试结合和应用，包括在医学手术中的应用。调研发现已有学者在脑肿瘤手术、神经血管手术、脊柱手术、功能性手术、其他导航类手术、神经康复手术、医患沟通、数字应用等领域进行研究，并有积极的影响。

术前，XR技术可以帮助医生精确评估手术风险、制定科学详细的手术方案、模拟术中导航、降低手术风险，精确的定位病灶位置，掌握病灶周围情况，叠加MRI和CT影像和解剖图像，提高手术成功率；术中，生成病灶部分三维模型，对比手术前后变化情况，及时、全面、准确的追踪病情；另外在医学教学中通过XR技术，让学生能够更加直观的学习和了解器官、学习手术流程，降低学习成本，提高学习效率；

核心归纳为提高治疗成功率、缩短教育周期、扩展医疗场景。

3 空间注册方案

空间注册、空间配准的目的是找到不同坐标系的映射关系，这样才能实现虚拟物体叠加到真实物体上或指定位置显示。虚实融合的根本在于三维注册，该过程就是利用计算机视觉技术识别相机拍摄到的标识物并计算出相机与标识物的位姿关系，然后再由相关的位姿变换让虚拟模型呈现在现实环境中。其本质就是将虚拟物体在世界坐标系、相机坐标系、成像平面坐标系以及图像显示坐标系之间进行位姿上的坐标变换，让虚拟物体最终变换到图像显示坐标下并显示在电子显示屏上，使得用户无论从任何的角度观察，虚拟物体均能与现实环境实现无缝的融合。

通过查阅资料，汇总出目前注册方案包括以下几种。

3.1 基于二维码

在待显示的部位贴上二维码，头显设备摄像头识别图像二维码位姿，根据识别到的二维码位姿在适当位置展示三维模型。这种方式比较简单，涉及的空间变换较少，但是存在延时过大、各个方向观察会有较大移动等问题。

3.2 基于三点注册

此功能仅限于HoloLens眼镜，此眼镜能够识别用户注视点，根据注视点的位置注册两个空间。

3.3 基于unity插件vuforia

与第一种方案类似，也是基于二维码的形式，识别图三维注册。

3.4 基于虚拟球注册

基于参考支架上的 4 个反光球，在眼镜虚拟坐标系里显示与之对应的大小完全相同的虚拟球，并依次移动这些虚拟球与参考支架上的小球完全重合，此时得到虚拟球球心在 MR 眼镜坐标系中的位置坐标，以及参考架上反光球球心在光学跟踪仪坐标系下的坐标。通过这两组对应点的坐标，计算光学跟踪仪坐标系到 MR 眼镜坐标系的转换矩阵。

3.5 基于光学球注册方案

此种方案研究的论文最多，通过加入中间媒介坐标系，即相机坐标系实现空间映射。上述基于虚拟球的方案其实也是基于光学球注册方案的一种。同时，由于加入光学球坐标系，需要进行标定，建立光学球和眼镜之间的关系。

4 小结

通过以上的汇总，我们大概了解了XR技术，以及在手术中的应用，同时调研和梳理了几种不同的注册方案，每种方案都有优缺点，注册误差也是各不相同，具体使用哪种方案需要实际结合项目来确定。总体来看，XR技术是一个发展趋势，随着技术的成熟，相关研究的增加，XR技术在手术中的应用会越来越多。本文梳理的注册方案是大概流程和思路，如有不足还请评论区批评指正。