AR技術(shù)在臨床手術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

目錄 1 相關(guān)背景... 1 www.www88606.com 加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)介紹... 1 www.www88606.com 加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)發(fā)展歷史... 1 www.www88606.com 加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理... 1 www.www88606.com AR技術(shù)在臨床手術(shù)領(lǐng)域的具體應(yīng)用... 3 www.www88606.com 國(guó)外現(xiàn)狀... 3 www.www88606.com 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀... 4 www.www88606.com 市場(chǎng)... 4 2 技術(shù)預(yù)見(jiàn)... 6 www.www88606.com 追蹤技術(shù)... 6 www.www88606.com 環(huán)境感知... 6 www.www88606.com 跟蹤用戶(hù)動(dòng)作... 7 www.www88606.com 顯示技術(shù)... 7 www.www88606.com 交互技術(shù)... 8 www.www88606.com 建模醫(yī)學(xué)圖像... 8 www.www88606.com 技術(shù)路線圖... 8 3 社會(huì)調(diào)研... 10 www.www88606.com 問(wèn)卷調(diào)查... 10 www.www88606.com 專(zhuān)業(yè)訪談... 12 www.www88606.com 美國(guó)學(xué)生的反饋... 13 4 創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案... 14 www.www88606.com AR技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案... 14 www.www88606.com 高新技術(shù)企業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案... 14 www.www88606.com 國(guó)家政策... 15 結(jié)論... 16 參考文獻(xiàn)... 17 附錄1：社會(huì)調(diào)查問(wèn)卷... 19

1 相關(guān)背景www.www88606.com 加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)介紹www.www88606.com 加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)發(fā)展歷史

近年來(lái)，現(xiàn)實(shí)得到了加強(qiáng)(Augmented Reality)技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)AR技術(shù)一直是媒體和市場(chǎng)的熱門(mén)話題之一。然而，就AR就技術(shù)本身而言，它并不是一項(xiàng)特別新穎的技術(shù)。AR技術(shù)源于人類(lèi)在現(xiàn)實(shí)世界中投影虛擬場(chǎng)景的美好想象，所以早在幾個(gè)世紀(jì)前，歐洲劇院就用物體暗淡的投影來(lái)裝扮表演人物。由計(jì)算機(jī)合成的現(xiàn)代增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代MIT的Surland[1]。他發(fā)明了一個(gè)基礎(chǔ)CRT與安裝在天花板上的機(jī)械跟蹤系統(tǒng)連接的光學(xué)透視頭戴式顯示器PDP-計(jì)算機(jī)和自定義圖形硬件。后來(lái)，超聲波系統(tǒng)取代了笨重的機(jī)械跟蹤器。他們的系統(tǒng)將必要的顯示、跟蹤和計(jì)算組件結(jié)合起來(lái)AR該系統(tǒng)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。隨著電子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的快速提高，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展。到20世紀(jì)90年代，一些關(guān)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本技術(shù)，如跟蹤技術(shù)、虛擬物體顯示技術(shù)和用戶(hù)交互技術(shù)，已經(jīng)被廣泛研究，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于許多領(lǐng)域。Rekimoto[2]使用AR該技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套工具，可以加強(qiáng)人們?cè)诠ぷ髦械拿鎸?duì)面合作，允許人們通過(guò)AR系統(tǒng)與遠(yuǎn)程同事面對(duì)面交互。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。比如腹腔鏡手術(shù)的可視化[3]，患者體內(nèi)X射線的可視化[4]，圖像引導(dǎo)手術(shù)的[5]。

自20世紀(jì)以來(lái)，隨著移動(dòng)設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模普及，AR技術(shù)開(kāi)始逐漸走出實(shí)驗(yàn)室和研究所，逐漸應(yīng)用于普通人的生活，進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用階段。新西蘭HIT2007年，實(shí)驗(yàn)室成立了世界上第一個(gè)移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室AR應(yīng)用。他們與當(dāng)?shù)貏?dòng)物園合作，通過(guò)移動(dòng)設(shè)備在印刷報(bào)紙廣告上投影虛擬動(dòng)物形象。2013年谷歌發(fā)布Google glass，成為應(yīng)用AR第一個(gè)成熟的可穿戴設(shè)備。經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，AR技術(shù)仍在快速進(jìn)步。相信不久的將來(lái)，AR技術(shù)將給我們的生活帶來(lái)真正的變化。

www.www88606.com 加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理

AR該技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)技術(shù)在現(xiàn)實(shí)世界中整合虛擬物體的交互技術(shù)，使人們能夠在現(xiàn)實(shí)中與虛擬物體互動(dòng)。AR在技術(shù)出現(xiàn)之前，人們?cè)谟?jì)算機(jī)中構(gòu)建虛擬模型并顯示在計(jì)算機(jī)顯示器上。然而，這是一種二維顯示技術(shù)。人們只能通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)觀察顯示器上的圖片并與之交互。在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建和實(shí)用的三維模型突出了這種交互方式?jīng)]有替代感的缺陷。對(duì)于生活在三維世界中的人類(lèi)來(lái)說(shuō)，如果有一種交互方式使人與虛擬物體的交互與顯示物體的交互沒(méi)有區(qū)別，那么這種方式是一種更準(zhǔn)確的方式，符合人類(lèi)的直覺(jué)。AR技術(shù)構(gòu)建了連接現(xiàn)實(shí)和虛擬的橋梁。如圖(www.www88606.com)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一部分。它在實(shí)際環(huán)境的基礎(chǔ)上，將虛擬物體集成到實(shí)際場(chǎng)景中，人類(lèi)可以通過(guò)特定的設(shè)備觀察到虛擬物體并與它們互動(dòng)。相應(yīng)地，增強(qiáng)虛擬技術(shù)是一種交互技術(shù)，它使用虛擬場(chǎng)景來(lái)替換現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，然后將現(xiàn)實(shí)對(duì)象集成到虛擬場(chǎng)景中，其虛擬程度高于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

圖www.www88606.com：虛擬與現(xiàn)實(shí)的過(guò)渡[7]

根據(jù)被廣泛接受的定義，AR技術(shù)包括三個(gè)關(guān)鍵要素[6]。

1) 結(jié)合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景和虛擬元素

2) 能實(shí)時(shí)交互

3) 三維顯示

滿(mǎn)足這三個(gè)特點(diǎn)AR該系統(tǒng)的技術(shù)要求是，它必須有一個(gè)可以組合真實(shí)和虛擬圖像的顯示器；一個(gè)可以生成交互式圖形的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶(hù)輸入；以及一個(gè)可以找到用戶(hù)視點(diǎn)位置的跟蹤系統(tǒng)，以便在真實(shí)環(huán)境中準(zhǔn)確地顯示虛擬圖像。

隨著移動(dòng)設(shè)備計(jì)算能力的提高，目前的實(shí)用設(shè)備主要是可穿戴設(shè)備，如智能眼鏡、可穿戴投影設(shè)備和智能手機(jī)。小型交互式圖形計(jì)算任務(wù)主要依賴(lài)于設(shè)備本身，而工業(yè)建模設(shè)計(jì)等大型圖形的計(jì)算依賴(lài)于云計(jì)算服務(wù)器。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要包括跟蹤技術(shù)、顯示技術(shù)和交互技術(shù)。

跟蹤技術(shù)是指顯示在顯示場(chǎng)景中的虛擬物體應(yīng)該像它是現(xiàn)實(shí)世界的一部分一樣固定。為了將虛擬物體固定在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，必須確定觀察者在現(xiàn)實(shí)世界中的觀測(cè)點(diǎn)（位置和方向）?；谔囟ǖ募夹g(shù)和應(yīng)用程序，真實(shí)世界的固定點(diǎn)可以是物理對(duì)象，如磁跟蹤源或圖像標(biāo)記或使用GPS確定空間中的位置。

顯示技術(shù)是指在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中實(shí)時(shí)顯示虛擬物體的技術(shù)，包括裸眼光學(xué)投影、顯示現(xiàn)實(shí)等。顯示技術(shù)的目的是讓用戶(hù)同時(shí)看到虛擬物體和現(xiàn)實(shí)環(huán)境。因此，如何將虛擬物體集成到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，并在人類(lèi)視網(wǎng)膜上投影，是人類(lèi)看到的關(guān)鍵問(wèn)題。光學(xué)投影依靠可穿戴設(shè)備直接在人眼前投影相關(guān)圖像，而顯示器只在屏幕上顯示集成虛擬物體的攝像頭圖像，人類(lèi)通過(guò)觀察屏幕獲得增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)信息。

交互技術(shù)的目的是使人類(lèi)能夠像實(shí)際物體一樣與虛擬物體交互。主要問(wèn)題是輸入人類(lèi)指令。AR該系統(tǒng)可結(jié)合各種輸入方法。從鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、觸摸屏輸入等傳統(tǒng)二維用戶(hù)界面，到手持設(shè)備、語(yǔ)音、手勢(shì)等三維多模式接口。不同的輸入模式對(duì)應(yīng)于不同的實(shí)際應(yīng)用，輸入模式會(huì)隨著應(yīng)用的不斷豐富而不斷發(fā)展。

www.www88606.com AR技術(shù)在臨床手術(shù)領(lǐng)域的具體應(yīng)用www.www88606.com 國(guó)外現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)起源于美國(guó)，在發(fā)明初期被認(rèn)為廣泛應(yīng)用于醫(yī)療手術(shù)領(lǐng)域。如1997年Leveton等人用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)圖像引導(dǎo)醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)[5]；1998年Fuchs[3]等人成功利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)腹腔鏡手術(shù)的可視化；2007年Merten在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的幫助下，等人為腳粉碎性骨折患者建立了腳骨虛擬模型(見(jiàn)圖)(www.www88606.com))，為醫(yī)生的診斷和后期手術(shù)提供了重要幫助。近日，日本微軟公司利用Hololens平臺(tái)，將3D圖像顯示給醫(yī)生，并準(zhǔn)確匹配病人的病變組織，以幫助手術(shù)。近日，日本微軟公司利用Hololens平臺(tái)，將3D圖像顯示給醫(yī)生，準(zhǔn)確匹配病人的病變組織，輔助手術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在國(guó)外發(fā)展多年，大量基礎(chǔ)研究為醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的主流發(fā)展方向仍。

圖www.www88606.com：利用AR足部手術(shù)輔助技術(shù)

www.www88606.com 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

中國(guó)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)起步較晚，計(jì)算機(jī)技術(shù)完全落后于國(guó)外。因此，國(guó)內(nèi)對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)研究較少，一般局限于應(yīng)用水平。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)概念自2010年以來(lái)的普及，中國(guó)也開(kāi)始研究增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的臨床手術(shù)。目前，它主要集中在外科導(dǎo)航和外科教學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域，其中有代表性的公司包括觸覺(jué)技術(shù)和醫(yī)療微信。

www.www88606.com 市場(chǎng)

醫(yī)療、零售、汽車(chē)等不同行業(yè)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，預(yù)計(jì)將促進(jìn)預(yù)測(cè)期內(nèi)的需求。著名的技術(shù)咨詢(xún)公司Gartner根據(jù)2017年技術(shù)發(fā)展軌跡報(bào)告，現(xiàn)實(shí)技術(shù)正處于萌芽階段。從圖(www.www88606.com)可見(jiàn)，現(xiàn)實(shí)技術(shù)的增強(qiáng)還處于技術(shù)成熟期，預(yù)計(jì)5-10年后將得到廣泛應(yīng)用?？梢?jiàn)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有巨大的增長(zhǎng)潛力，吸引了大量投資，為行業(yè)增長(zhǎng)做出了貢獻(xiàn)。

圖www.www88606.com：Gartner技術(shù)發(fā)展軌跡圖

在市場(chǎng)規(guī)模方面，2018年實(shí)際市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)18億美元，市場(chǎng)規(guī)模小，市場(chǎng)潛力巨大。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的盈利方式主要有兩種:銷(xiāo)售增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備和提供增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)服務(wù)。其中，設(shè)備銷(xiāo)售主要包括智能眼鏡、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)醫(yī)療設(shè)備等，服務(wù)主要包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)娛樂(lè)內(nèi)容和虛擬模型建設(shè)。目前，硬件設(shè)備是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的主要瓶頸。我相信，在未來(lái)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)利潤(rùn)點(diǎn)仍將在硬件設(shè)備中。實(shí)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)完全成熟，硬件設(shè)備普及后，利潤(rùn)點(diǎn)將逐步向軟件轉(zhuǎn)移。根據(jù)名稱(chēng)調(diào)查機(jī)構(gòu)Grand View Research預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖(www.www88606.com),AR近10年技術(shù)市場(chǎng)規(guī)模將呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，市場(chǎng)空間巨大。

圖www.www88606.com：全球AR技術(shù)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)圖

同時(shí)，AR醫(yī)療領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展也很快。自2010年以來(lái)，AR/VR近年來(lái)，醫(yī)療領(lǐng)域，特別是智能醫(yī)療設(shè)備，受到投資機(jī)構(gòu)的青睞AR醫(yī)療設(shè)備初創(chuàng)公司相繼獲得巨額融資。2017年，AR醫(yī)學(xué)影像公司EchoPixel投資英特爾資本850萬(wàn)美元；AR手術(shù)平臺(tái)公司Beyeonices融資1150萬(wàn)美元?？梢?jiàn)投資機(jī)構(gòu)普遍正確AR在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用有很大的信心。圖(www.www88606.com)對(duì)投資機(jī)構(gòu)AR醫(yī)療市場(chǎng)規(guī)模的估計(jì)可見(jiàn)AR未來(lái)10年，醫(yī)療市場(chǎng)規(guī)模將保持較高的增長(zhǎng)率。

圖www.www88606.com：全球AR預(yù)測(cè)醫(yī)療市場(chǎng)規(guī)模

2 技術(shù)預(yù)見(jiàn)

作為一種系統(tǒng)技術(shù)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在臨床手術(shù)中的應(yīng)用，包括許多復(fù)雜的具體技術(shù)，從虛擬模型構(gòu)建到與現(xiàn)實(shí)環(huán)境相結(jié)合，再到實(shí)現(xiàn)人與虛擬模型的交互。目前，學(xué)術(shù)界將加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要分為跟蹤技術(shù)、顯示技術(shù)和交互技術(shù)三部分，加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于手術(shù)領(lǐng)域，解決人體器官模型建設(shè)問(wèn)題，分別分析現(xiàn)狀，根據(jù)技術(shù)現(xiàn)狀和文獻(xiàn)研究結(jié)果進(jìn)行技術(shù)預(yù)測(cè)。

www.www88606.com 追蹤技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)必須能夠感知環(huán)境，跟蹤觀察者的運(yùn)動(dòng)，最好有6個(gè)自由感知。3個(gè)變量(x, y, z)表示空間位置，3個(gè)角度(偏航、俯仰、滾動(dòng))表示方向[10]。在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，必須有一些模型可以在匹配模型和現(xiàn)實(shí)時(shí)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供參考，這意味著必須有一些預(yù)設(shè)的環(huán)境因素。但事實(shí)上，這樣的條件很難滿(mǎn)足。并非所有環(huán)境都能找到跟蹤技術(shù)的參考點(diǎn)，也不是所有環(huán)境都有固定的參考點(diǎn)。所以直到今天，確定用戶(hù)的方向仍然是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，沒(méi)有單一的最佳解決方案。

www.www88606.com 環(huán)境感知

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)必須能夠感知用戶(hù)當(dāng)前的環(huán)境和位置，以便根據(jù)用戶(hù)的環(huán)境顯示不同的內(nèi)容。在大多數(shù)情況下，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)并不需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的描述，因?yàn)樗覍?shí)地再現(xiàn)了環(huán)境，并顯示了虛擬模型。

但在臨床手術(shù)中的應(yīng)用完全不同。臨床手術(shù)對(duì)精度要求很高。人體器官是一個(gè)緊密相連的復(fù)雜系統(tǒng)，隨著人體運(yùn)動(dòng)、呼吸等微小運(yùn)動(dòng)，人體器官的位置和大小不斷變化。這給真實(shí)器官與虛擬器官模型的精確匹配帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。準(zhǔn)確性問(wèn)題，即如何準(zhǔn)確感知患者手術(shù)中器官的微小變化，并反映在虛擬模型的顯示上，成為限制AR技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。

目前，感知技術(shù)一般通過(guò)基于高清攝像頭的計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，攝像機(jī)拍攝真實(shí)環(huán)境，如患者病變、教學(xué)模型等，然后將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理。由于缺乏有效的醫(yī)療檢測(cè)手段，目前的醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備都是靜態(tài)檢測(cè)設(shè)備，未來(lái)感知技術(shù)的發(fā)展仍將以視覺(jué)感知為主要手段。隨著深度學(xué)習(xí)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)的圖像處理能力得到了飛速提高，圖像目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)分割的方向也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，這將成為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)感知技術(shù)的又一突破點(diǎn)。

www.www88606.com 用戶(hù)動(dòng)作追蹤

對(duì)于一般的增強(qiáng)顯示系統(tǒng)而言，與虛擬環(huán)境相比，用戶(hù)追蹤設(shè)備必須具有更高的準(zhǔn)確性，更寬的輸入變化和帶寬以及更廣的范圍[6]。配準(zhǔn)精度不僅取決于幾何模型，還取決于要匹配的物體的距離。距離越遠(yuǎn)，位置跟蹤中的影響誤差越小。在室內(nèi)環(huán)境下，追蹤通常比在室外環(huán)境中更容易，因?yàn)樽粉櫾O(shè)備不必大范圍移動(dòng)。

而在臨床手術(shù)應(yīng)用當(dāng)中，情況也稍有不同。手術(shù)全都在封閉的室內(nèi)完成，而且系統(tǒng)使用者——醫(yī)生在手術(shù)過(guò)程中與病人的位置相對(duì)固定，因此手術(shù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的問(wèn)題更多在于提升精確度而非適用范圍。目前的用戶(hù)追蹤手段主要有固定磁性標(biāo)記、固定視覺(jué)標(biāo)記、全球定位系統(tǒng)、慣性制導(dǎo)系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)。其中除光學(xué)系統(tǒng)之外的手段全都存在精度過(guò)低的情況。如全球定位系統(tǒng)精度一般在10米左右，并不適用于手術(shù)這類(lèi)精細(xì)場(chǎng)景。光學(xué)系統(tǒng)利用多個(gè)攝像機(jī)的多角度拍攝，定位使用者的位置和方向，從而實(shí)現(xiàn)虛擬模型的精確顯示。目前手術(shù)系統(tǒng)中一般采用這種方式。光學(xué)系統(tǒng)在手術(shù)室這種穩(wěn)定、少干擾的情況下性能優(yōu)異，能準(zhǔn)確追蹤使用者的6自由度運(yùn)動(dòng)。

www.www88606.com 顯示技術(shù)

目前主要的顯示設(shè)備主要包括頭戴式和手持式。頭戴顯示器包括視頻/光學(xué)透視頭戴式顯示器（HMD），虛擬視網(wǎng)膜顯示器（VRD）和頭戴式投影顯示器（HMPD）。手持顯示器包括手持視頻顯示器、光學(xué)透視顯示器以及手持投影儀[10]。頭戴顯示器解放了人的雙手，便于活動(dòng)；缺點(diǎn)是顯示設(shè)備必須連接到計(jì)算設(shè)備，這樣限制了設(shè)備的移動(dòng)性，而目前大帶寬、低延遲的無(wú)線通信技術(shù)尚未普及，5G技術(shù)有望解決這一問(wèn)題。手持顯示器更加笨重，由于生產(chǎn)成本低且易于使用，成為目前將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)引入大眾市場(chǎng)的最佳解決方案。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲Pokemon go就是手持顯示設(shè)備的極好范例。

在臨床手術(shù)領(lǐng)域，由于醫(yī)生需要進(jìn)行手術(shù)操作，因此頭戴式設(shè)備成為唯一選擇。用于輔助手術(shù)的頭戴式顯示器并不需要有很高的移動(dòng)性，可以采用有線連接，這樣就解決了頭戴式設(shè)備的續(xù)航問(wèn)題和傳輸問(wèn)題。頭戴顯示器中虛擬視網(wǎng)膜顯示器準(zhǔn)確度最高，它是將虛擬圖像直接投影到人眼視網(wǎng)膜上來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬模型顯示，相比于依靠二次反射的透視式和投影式有顯著優(yōu)勢(shì)，以后醫(yī)療增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)的發(fā)展方向?qū)⒀刂@一方向發(fā)展，并逐步提高移動(dòng)性、續(xù)航和獨(dú)立計(jì)算能力。

www.www88606.com 交互技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要提供虛擬對(duì)象和真實(shí)對(duì)象的某種接口，以便人類(lèi)能夠和這些虛擬物體互動(dòng)。這對(duì)于連接物理世界和數(shù)字世界有重要意義，通過(guò)交互技術(shù)，曾經(jīng)冷冰冰的數(shù)據(jù)將變成看得見(jiàn)摸得著的具體形象[11]。目前主要的交互方式包括平面用戶(hù)界面、三維用戶(hù)界面、觸覺(jué)、手勢(shì)和姿態(tài)捕捉、語(yǔ)音識(shí)別、視線追蹤和人機(jī)共生。交互方式多種多樣，采用的技術(shù)也十分廣泛。用戶(hù)界面類(lèi)的交互方式一般用于人和機(jī)器的交互，只是用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方式實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的人機(jī)交互界面。觸覺(jué)、手勢(shì)、語(yǔ)音、視線更加接近人和現(xiàn)實(shí)世界的原本交互方式，我們就是用話語(yǔ)和手勢(shì)與人交流，用觸覺(jué)感受世界，用視線來(lái)表達(dá)關(guān)注的。人機(jī)共生利用體內(nèi)植入傳感器收集生理信號(hào)，如皮膚電反應(yīng)，腦電圖（神經(jīng)活動(dòng)）或肌電圖（肌肉活動(dòng)）等數(shù)據(jù)，以監(jiān)測(cè)生物活動(dòng)。這為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了新穎的交互方式，目前植入傳感器還處于研究階段。

在臨床手術(shù)中，交互方式更偏向于自然直接的交互方式，如觸覺(jué)、手勢(shì)等；人機(jī)共生技術(shù)和醫(yī)療領(lǐng)域有著緊密的聯(lián)系，它可以直接提供手術(shù)中所需的生理監(jiān)測(cè)信號(hào)，相信隨著植入傳感器的進(jìn)一步發(fā)展，人機(jī)共生技術(shù)將在臨床手術(shù)AR系統(tǒng)中扮演重要作用。

www.www88606.com 醫(yī)學(xué)圖像建模

人體是世界上最復(fù)雜的系統(tǒng)之一，眾多人體器官協(xié)同工作組成了這個(gè)異常復(fù)雜的系統(tǒng)。臨床手術(shù)中稍有差池都有可能對(duì)病人生命健康造成嚴(yán)重后果。因此用于臨床手術(shù)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬模型必須十分準(zhǔn)確。以最復(fù)雜的腦部手術(shù)為例，由于個(gè)體差異的存在，每個(gè)病人腦部的形狀、大小、結(jié)構(gòu)都有所不同[15]。因此用作手術(shù)輔助的虛擬人體器官模型必須十分精確，而且要能反映出不同人器官的差異。目前的醫(yī)學(xué)探測(cè)手段主要是靜態(tài)平面探測(cè)和立體探測(cè)。平面探測(cè)主要有X光射線，立體探測(cè)主要有CT技術(shù)和核磁共振技術(shù)。3D醫(yī)學(xué)圖像重建技術(shù)使用現(xiàn)有醫(yī)學(xué)探測(cè)手段得到的圖像，將平面的或者分層的檢測(cè)圖像重建為三維器官模型[12]。目前的重建技術(shù)主要基于CT檢測(cè)結(jié)果，重建算法利用CT檢測(cè)得到的大量斷層二維圖片重構(gòu)三維器官模型。目前的技術(shù)主要有表面陰影遮蓋技術(shù)、容積漫游技術(shù)、曲面重建技術(shù)和虛擬內(nèi)鏡技術(shù)等[14]。這些技術(shù)分別適用于不同形態(tài)的器官，在臨床應(yīng)用中均取得了良好效果。

www.www88606.com 技術(shù)路線圖

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在臨床手術(shù)中的應(yīng)用橫跨計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、傳感器、通信、臨床醫(yī)學(xué)、人體工程學(xué)等諸多學(xué)科，技術(shù)涉及面極廣。使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助臨床手術(shù)的實(shí)現(xiàn)，取決于多學(xué)科共同發(fā)展的結(jié)果。上文中按照不同的技術(shù)類(lèi)別將臨床手術(shù)中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)做了分析，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究熱點(diǎn)的基礎(chǔ)上[9]，我們繪制了用于臨床手術(shù)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)技術(shù)路線圖，見(jiàn)圖(www.www88606.com)。從技術(shù)路線圖中可以看到，未來(lái)追蹤技術(shù)和圖像處理將更偏向以深度學(xué)習(xí)為代表的智能技術(shù)，顯示器和傳感器將更偏向于與人體器官高度關(guān)聯(lián)的技術(shù)，如視網(wǎng)膜顯示器和人機(jī)共生技術(shù)。

圖www.www88606.com：AR輔助手術(shù)技術(shù)路線圖

3 社會(huì)調(diào)研

我們的社會(huì)調(diào)研主要從兩方面展開(kāi)。首先，針對(duì)廣大社會(huì)群體，我們?cè)O(shè)計(jì)了有關(guān)AR在臨床手術(shù)應(yīng)用中的調(diào)查問(wèn)卷；其次，由于AR技術(shù)和醫(yī)療領(lǐng)域的特殊性，僅有普通群眾意見(jiàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此我們還分別采訪了相關(guān)專(zhuān)業(yè)人士，了解了他們對(duì)AR技術(shù)在臨床手術(shù)中應(yīng)用的意見(jiàn)；最后，我們還對(duì)同組美國(guó)同學(xué)進(jìn)行了采訪，了解了他們對(duì)AR手術(shù)發(fā)展的一些意見(jiàn)和建議。

www.www88606.com 問(wèn)卷調(diào)查

我們分別就群眾對(duì)AR技術(shù)的熟知程度、經(jīng)濟(jì)因素、觀念接受度、心理預(yù)期和發(fā)展意見(jiàn)等方面設(shè)置了問(wèn)卷問(wèn)題（見(jiàn)附錄一）。此次調(diào)研采用網(wǎng)絡(luò)問(wèn)卷的形式，共回收有效問(wèn)卷124份，達(dá)到了預(yù)期效果。

根據(jù)年齡分布圖(www.www88606.com)可知，調(diào)研群體主要集中在18-28歲和40-60歲兩個(gè)群體內(nèi)，可以分別代表年輕人和中年人的意見(jiàn)。根據(jù)圖(www.www88606.com)，答卷者中，擁有大學(xué)本科學(xué)歷及以上者達(dá)到了www.www88606.com，可見(jiàn)受訪者普遍具有較高的文化水平。

圖www.www88606.com：受訪者年齡分布圖

圖www.www88606.com：受訪者學(xué)歷分布圖

由圖(www.www88606.com)可知，有www.www88606.com的人對(duì)AR在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用效果持樂(lè)觀態(tài)度，可見(jiàn)普通群體對(duì)AR技術(shù)的接受度較高。而由圖(www.www88606.com)可知，當(dāng)被問(wèn)到“假設(shè)你需要接受AR/VR輔助的腦部手術(shù)，愿意為此支付的價(jià)格”時(shí)，www.www88606.com的人心理預(yù)期價(jià)格低于2萬(wàn)，可見(jiàn)普通群體對(duì)這項(xiàng)新技術(shù)在價(jià)格上的承受力并不是很高。

圖www.www88606.com：假設(shè)你需要接受AR/VR輔助的腦部手術(shù)，愿意為此支付的價(jià)格

圖www.www88606.com：AR醫(yī)療是否能很大程度提升就醫(yī)體驗(yàn)

由圖(www.www88606.com)可知，目前大家對(duì)AR技術(shù)的成熟度信心仍然不足，有www.www88606.com的人認(rèn)為AR醫(yī)療目前最大的障礙仍是技術(shù)不成熟。與之相反的是，圖(www.www88606.com)表明，www.www88606.com的人認(rèn)為AR技術(shù)將在5年內(nèi)在醫(yī)療領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，反映出普通群體對(duì)目前技術(shù)現(xiàn)狀仍不甚了解。

圖www.www88606.com：AR醫(yī)療的最大障礙

圖www.www88606.com：AR醫(yī)療大規(guī)模應(yīng)用的預(yù)計(jì)時(shí)間

www.www88606.com 專(zhuān)業(yè)訪談

為了獲取專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)性意見(jiàn)，我們還分別采訪了AR醫(yī)療研究者、醫(yī)療從業(yè)者和AR技術(shù)從業(yè)者，獲取了一些專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)性意見(jiàn)。

l AR醫(yī)療研究者

AR/VR在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。AR/VR技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括輔助手術(shù)、輔助教學(xué)和輔助訓(xùn)練。目前實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破的關(guān)鍵點(diǎn)在于AR醫(yī)療輔助的準(zhǔn)確程度，也就是怎么精確地將AR模型和實(shí)際的人體結(jié)合起來(lái)。一旦AR技術(shù)本身實(shí)現(xiàn)突破，它在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也將快速跟進(jìn)。

l 醫(yī)療從業(yè)者

專(zhuān)業(yè)醫(yī)師認(rèn)為，AR技術(shù)將完全顛覆傳統(tǒng)手術(shù)過(guò)程。它可以讓身體內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)地更清晰、立體，那么醫(yī)生手術(shù)也會(huì)更精確，與之對(duì)比，目前微創(chuàng)手術(shù)依賴(lài)平面顯示，缺少景深信息。當(dāng)然，相比AR技術(shù)的先進(jìn)性，醫(yī)師們更關(guān)心實(shí)際使用中技術(shù)與成本的平衡。受訪醫(yī)生表示，AR輔助醫(yī)療的費(fèi)用不能超出醫(yī)療機(jī)構(gòu)和患者可承受的范圍，阻礙新技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際的往往是經(jīng)濟(jì)原因。同時(shí)她也指出，人體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性將成為技術(shù)突破的極大障礙。她說(shuō)：“人體是系統(tǒng)性的，而且時(shí)刻處于動(dòng)態(tài)變化之中，如何利用現(xiàn)有的醫(yī)療數(shù)據(jù)建立準(zhǔn)確的人體模型將是AR/VR醫(yī)療付諸實(shí)際的關(guān)鍵因素?！?/p>

l AR技術(shù)從業(yè)者

AR技術(shù)從業(yè)者認(rèn)為，目前AR技術(shù)的最大障礙在于用戶(hù)體驗(yàn)不佳。笨重的頭盔、糟糕的顯示、卡頓的交互，都很難讓用戶(hù)真正喜歡上AR產(chǎn)品，這也是目前AR產(chǎn)業(yè)停滯不前的原因。如何提升用戶(hù)體驗(yàn)，使得AR產(chǎn)品真正為用戶(hù)所習(xí)慣并喜愛(ài)，將是AR大規(guī)模應(yīng)用的前提。

www.www88606.com 美國(guó)同學(xué)反饋

相比于社會(huì)調(diào)研中受訪者對(duì)AR醫(yī)療的普遍樂(lè)觀預(yù)計(jì)，美國(guó)同學(xué)對(duì)AR醫(yī)療大規(guī)模應(yīng)用的預(yù)計(jì)比較悲觀。他們普遍認(rèn)為，AR醫(yī)療要大規(guī)模應(yīng)用至少需要10年以上。

同時(shí)，他們也提出了AR醫(yī)療的用戶(hù)心理接受度的問(wèn)題。根據(jù)恐怖谷理論[13]，人對(duì)AR虛擬對(duì)象的好感程度初期會(huì)隨著仿真度的提高而增加，但到達(dá)一定階段就會(huì)進(jìn)入極度反感的相反狀態(tài)，之后又會(huì)回歸正常。隨著技術(shù)水平的提升，AR虛擬模型的擬真度將不斷提升，如何引導(dǎo)用戶(hù)在心理上舒適地接受和看待虛擬模型也是必須考慮的問(wèn)題。

圖www.www88606.com：恐怖谷理論

4 創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上文中的技術(shù)分析和技術(shù)預(yù)見(jiàn)，我們已經(jīng)對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用在臨床手術(shù)中的具體技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析；同時(shí)我們也進(jìn)行了廣泛的社會(huì)調(diào)研，了解了社會(huì)不同群體對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的了解、認(rèn)識(shí)和需求。

社會(huì)調(diào)研結(jié)果表明，人們普遍認(rèn)為AR在臨床手術(shù)治療上的應(yīng)用是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。www.www88606.com的受訪者認(rèn)為AR技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用符合社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)；同時(shí)他們也愿意成為這項(xiàng)技術(shù)的使用者，www.www88606.com的受訪者表示愿意接受AR/VR輔助的臨床手術(shù)。可見(jiàn)AR技術(shù)應(yīng)用于臨床手術(shù)存在市場(chǎng)需求。專(zhuān)業(yè)訪談結(jié)果和社會(huì)調(diào)研結(jié)果一致顯示，目前AR技術(shù)還沒(méi)有在臨床手術(shù)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的根本原因是目前AR技術(shù)還不夠成熟。結(jié)合技術(shù)與社會(huì)來(lái)考慮，我們應(yīng)該采取何種措施，加速AR在臨床手術(shù)中的應(yīng)用呢？我們從技術(shù)本身、企業(yè)、國(guó)家相關(guān)政策三個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)。

www.www88606.com AR技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

技術(shù)方面，未來(lái)實(shí)用的AR手術(shù)輔助系統(tǒng)必須解決以下4個(gè)問(wèn)題。

1) 實(shí)時(shí)性

虛擬圖像隨使用者位置移動(dòng)和環(huán)境變化實(shí)時(shí)顯示。

2) 精確匹配

虛擬模型要和人體真實(shí)生理結(jié)構(gòu)更為吻合，包括結(jié)構(gòu)精細(xì)度、清晰度、完整性；同時(shí)虛擬模型的實(shí)際器官的定位匹配也要更加準(zhǔn)確。

3) 深度感知

解決模型顯示中的聚焦、分辨率、對(duì)比度等問(wèn)題，同時(shí)提高深度感知反饋能力。

4) 便攜性

設(shè)備小型化，佩戴更為舒適。

www.www88606.com 高新企業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

相關(guān)企業(yè)應(yīng)該采取“高低并行”發(fā)展模式，從技術(shù)和市場(chǎng)兩方面入手。

1) “往高處走”

也就是提升技術(shù)水平，讓這項(xiàng)技術(shù)更快地應(yīng)用在復(fù)雜、艱難的手術(shù)操作中，如腦部腫瘤手術(shù)，解決醫(yī)療難題。

2) “往低處走”

也就是通過(guò)一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用，如在醫(yī)院提供一些小的AR游戲設(shè)備，提高群眾對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的認(rèn)可度，拓寬市場(chǎng)渠道。

www.www88606.com 國(guó)家政策

國(guó)家政策層面，我們從產(chǎn)業(yè)、群眾生活和醫(yī)療體系三個(gè)方面提出了具體方案。

1) 支持高新企業(yè)發(fā)展

《中國(guó)制造2025》中明確提出支持AR/VR技術(shù)相關(guān)企業(yè)的發(fā)展，在目前中美貿(mào)易戰(zhàn)的大環(huán)境下，必須認(rèn)識(shí)到誰(shuí)能占據(jù)技術(shù)高點(diǎn)，誰(shuí)就能在日后的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)。因此國(guó)家應(yīng)該大力支持高新技術(shù)企業(yè)的發(fā)展，給與相應(yīng)的優(yōu)惠政策。

2) 醫(yī)療保險(xiǎn)政策

從社會(huì)調(diào)研中可以看到，民眾對(duì)AR輔助手術(shù)的價(jià)格承受力較低，因此可以考慮將AR技術(shù)輔助臨床手術(shù)納入醫(yī)療保險(xiǎn)當(dāng)中，降低民眾經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

3) 健全監(jiān)管體系

AR手術(shù)輔助技術(shù)在持續(xù)的發(fā)展中，肯定會(huì)出現(xiàn)一些諸如成熟度不夠就貿(mào)然應(yīng)用此類(lèi)的問(wèn)題，因此國(guó)家要盡早完善相關(guān)法律法規(guī)，健全醫(yī)療監(jiān)管體系，讓AR手術(shù)輔助技術(shù)能真正做到造福于社會(huì)。

結(jié)論

本文就AR技術(shù)在臨床手術(shù)中的應(yīng)用技術(shù)，首先對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)細(xì)節(jié)分析，對(duì)各個(gè)分技術(shù)領(lǐng)域做出了技術(shù)預(yù)見(jiàn)；同時(shí)進(jìn)行了廣泛的社會(huì)調(diào)研，分別從普通群體和專(zhuān)業(yè)人士?jī)蓚€(gè)角度征集對(duì)AR技術(shù)在臨床手術(shù)中應(yīng)用的意見(jiàn)。在技術(shù)預(yù)見(jiàn)和社會(huì)調(diào)研的基礎(chǔ)上，分別從AR技術(shù)、高新企業(yè)、國(guó)家相關(guān)政策三個(gè)方面進(jìn)行了創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)。

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附錄一：社會(huì)調(diào)研問(wèn)卷

1. 您是否知道AR/VR技術(shù)？

是，否

2. 您是否想象過(guò)AR/VR技術(shù)用在醫(yī)療領(lǐng)域？

是 ，否

3. 如果未來(lái)可以通過(guò)AR/VR技術(shù)透視人體，您是否愿意接受？

是 ，否

4. 您認(rèn)為AR/VR技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用符合社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)嗎？

是，否

5. 您認(rèn)為AR/VR技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用是否符合“智慧城市”的發(fā)展理念？

是，否

6. 假設(shè)您需要接受AR/VR輔助的腦部手術(shù)，您愿意為此支付的金額是多少？

1萬(wàn)以下，1-2萬(wàn)，2-5萬(wàn)，5-10萬(wàn)，10萬(wàn)以上

7. 您認(rèn)為AR/VR技術(shù)能給醫(yī)療帶來(lái)多大程度的改變？

很小改變，一部分領(lǐng)域的改變，徹底改變

8. 您認(rèn)為AR距離實(shí)際應(yīng)用還有多長(zhǎng)時(shí)間？

3年以?xún)?nèi)，3-5年，5-10年，10年以上

9. 您認(rèn)為AR技術(shù)要應(yīng)用在實(shí)際中最大的障礙是什么？

技術(shù)不成熟，費(fèi)用高昂，觀念上難以接受，其他

10.您對(duì)AR/VR技術(shù)未來(lái)發(fā)展的意見(jiàn)？

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