AR技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)中的應用研究

劉斌

摘要：增強現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間和深遠的影響，將虛擬圖形和現(xiàn)實世界融合，提高用戶在醫(yī)療行業(yè)對事物的理解和感知。旨在探討AR技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中如何使用，并分析其優(yōu)勢與局限性。了解并總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于AR技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中使用情況與趨勢；分析并評價AR技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域各類場景下使用特點；針對分析發(fā)現(xiàn)的不足總結(jié)出相應的對策。

關(guān)鍵詞：AR技術(shù)；虛擬圖形；醫(yī)療領(lǐng)域；場景

一、前言

增強現(xiàn)實（AR，Augmented Reality，下文簡稱AR）是一種數(shù)字化技術(shù)，將虛擬信息疊加到現(xiàn)實環(huán)境中，實時交互。AR技術(shù)可以通過智能眼鏡、手機、平板等設(shè)備來實現(xiàn)。AR技術(shù)具有豐富、互動、沉浸等特點，可以為用戶提供更直觀、更高效、更安全的信息服務。醫(yī)療領(lǐng)域的AR技術(shù)應用是最重要的，也是最有前景的。在醫(yī)療教育、診斷治療和康復護理等方面，AR技術(shù)可以扮演重要角色[1]。

二、醫(yī)療領(lǐng)域應用AR技術(shù)的理論基礎(chǔ)

AR技術(shù)的工作原理是在屏幕上疊加數(shù)字圖像或信息于真實世界。它使用了智能手機、平板電腦或智能眼鏡等裝備攝像頭的設(shè)備，并配備了AR軟件。AR軟件通過分析視頻流的計算機視覺技術(shù)識別對象或環(huán)境。然后，該設(shè)備從云端下載有關(guān)對象或環(huán)境的信息，并以3D格式顯示在屏幕上。用戶可以和AR內(nèi)容進行互動，通過觸屏、語音或手勢等方式。AR內(nèi)容也可以根據(jù)用戶的運動和視角而變化。在醫(yī)療行業(yè)中，AR技術(shù)可以幫助醫(yī)生更好地觀察和診斷患者的病情，也可以讓患者更好地理解自己的病情。在AR技術(shù)中，通常需要借助三維建模技術(shù)將醫(yī)學圖像轉(zhuǎn)化為三維模型，然后通過AR技術(shù)將其呈現(xiàn)在現(xiàn)實場景中。

AR技術(shù)的應用在醫(yī)療行業(yè)通常包括建模、渲染、互動、反饋四個步驟。首先，建模階段是將真實的物體或環(huán)境通過計算機建模的過程，生成虛擬現(xiàn)實環(huán)境。其次，渲染階段是在用戶能夠看到虛擬現(xiàn)實環(huán)境投影到頭戴式顯示器或眼鏡上[2]。交互階段是使用者與虛擬現(xiàn)實環(huán)境進行互動的過程，通過手柄、手勢識別、語音識別等方式，與虛擬現(xiàn)實環(huán)境進行交互。反饋階段是虛擬現(xiàn)實環(huán)境對用戶動作的反應，包括視覺反饋，音頻反饋，觸覺反饋等。

三、國內(nèi)外關(guān)于醫(yī)療領(lǐng)域使用AR技術(shù)的形勢和趨勢

近年來，國內(nèi)外都開始重視和發(fā)展醫(yī)療領(lǐng)域的AR技術(shù)應用。有關(guān)AR技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應用，大致有以下幾個方面：

（一）醫(yī)學成像方面

計算機視覺和圖像處理技術(shù)，使醫(yī)生可以在病人身上實時獲取和顯示相關(guān)的醫(yī)學圖像信息，從而提高了醫(yī)療診斷和治療的效率和準確性。AR技術(shù)可以將醫(yī)學影像信息與患者的實際情況相結(jié)合。首先，醫(yī)生需要使用醫(yī)學成像設(shè)備獲取病人的相關(guān)圖像，如CT掃描、MRI等。然后，將這些圖像上傳到計算機軟件中進行處理和分析，生成一個虛擬的三維模型。接下來，將這個虛擬模型與病人的實際情況結(jié)合起來，通過AR技術(shù)投影到醫(yī)生所看到的場景中，從而使醫(yī)生可以實時觀察到病人的內(nèi)部情況。

（二）外科手術(shù)方面

AR技術(shù)的應用不僅可以在手術(shù)前進行診斷和規(guī)劃，還可以在手術(shù)過程中進行實時引導和監(jiān)測。例如，在手術(shù)前，醫(yī)生可以使用AR技術(shù)將病人的圖像信息與手術(shù)區(qū)域進行對比，確定手術(shù)方案和操作路徑。在手術(shù)過程中，醫(yī)生可以使用AR技術(shù)引導手術(shù)器械的位置和方向，實時監(jiān)測手術(shù)進展情況，從而最大限度保護病人的安全和健康。同時，AR技術(shù)也可以實現(xiàn)遠程協(xié)作和指導，讓專家能夠通過視頻或語音與現(xiàn)場醫(yī)生進行交流。

（三）臨床治療方面

在康復訓練、心理治療、眼科治療等領(lǐng)域，都可以融合AR技術(shù)。通過空間AR設(shè)計手及手臂康復系統(tǒng)，AR技術(shù)可以在患者康復過程中提供更具互動性和吸引力的體驗。它還可以將康復的進展以可視化的形式提供給患者，以此來提高患者繼續(xù)治療的動力。AR通過模擬恐懼情景進行暴露療法，通過調(diào)整光線來改善色盲、近視等眼部問題。此外，AR通過將患者的靜脈地圖投射到皮膚上，可以幫助護士輕松找到靜脈，進而減少抽血或靜脈插入期間的疼痛和并發(fā)癥。

主流產(chǎn)品實現(xiàn)AR技術(shù)應用于醫(yī)療行業(yè)的主要功能包括基礎(chǔ)模型導入、醫(yī)學仿真[3]、立體實現(xiàn)與操作等幾大部分。將CT數(shù)據(jù)導入VR醫(yī)療模擬輔助系統(tǒng)進行應用，數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，可以做到一次投入，反復使用。一方面，在已經(jīng)有了模型的基礎(chǔ)上，借助相關(guān)設(shè)備，模擬外科手術(shù)穿刺過程。用戶手持虛擬的穿刺針，從任意角度對臟器進行穿刺，系統(tǒng)將根據(jù)穿刺的路徑和角度， 反饋穿刺過程中穿刺針刺入的器官和組織，記錄穿刺路徑并顯示，同時將結(jié)果以三維MR圖像和文本形式顯示出來。另一方面，通過混合現(xiàn)實交互設(shè)備，指定切割平面或曲面， 可實時調(diào)整切割面，以達到最理想的切割位置， 之后顯示切割后的臟器形態(tài)，和切割前后對比， 計算出指定器官或組織的體積，包括切割后器官的體積。這樣做便于醫(yī)務人員在確定手術(shù)方案前，更準確地把握手術(shù)數(shù)據(jù)，避免因切除部分太大而剩余臟器太小，使器官無法工作導致患者發(fā)生危險的可能，從而有效降低手術(shù)風險，便于醫(yī)務人員確定手術(shù)方案。

AR技術(shù)可以在手術(shù)前將疾病的發(fā)生、發(fā)展和治療過程以圖像和動畫的形式呈現(xiàn)，幫助患者更好地理解自己的病情和治療方案。這也是避免醫(yī)患糾紛，使醫(yī)患溝通成本大大降低的有效途徑之一。手術(shù)過程中，AR可以用于手術(shù)導航，利用虛擬圖像疊加在真實世界中，幫助外科醫(yī)生觀察患者的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)。AR可用于在手術(shù)期間將患者器官或腫瘤的3D模型投射到他們的身體上，這可以幫助外科醫(yī)生更精確地計劃和執(zhí)行手術(shù)。這種技術(shù)可以讓醫(yī)生更好地理解病情，同時也可以讓患者更加直觀地了解自己的病情。在手術(shù)中，醫(yī)生需要在有限的時間內(nèi)完成復雜的手術(shù)操作，AR技術(shù)可以提供更好的空間感知能力，減少手術(shù)風險和誤操作。

在未來，AR技術(shù)將進一步拓展醫(yī)療領(lǐng)域的應用場景，比如AR技術(shù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合，可以實現(xiàn)更加精準地診斷和手術(shù)操作。同時，AR技術(shù)也可以在康復治療中發(fā)揮重要作用，比如通過AR游戲等方式，提高患者的康復效果和滿意度[4]。醫(yī)療領(lǐng)域AR技術(shù)應用前景廣闊，意義非常重大。AR還可以通過啟用數(shù)據(jù)可視化、分析、通信和互動的新方式，為醫(yī)療保健領(lǐng)域的創(chuàng)新和研究創(chuàng)造新的機會。AR還可以解決當今醫(yī)療保健系統(tǒng)面臨的一些挑戰(zhàn)，如人口老齡化、慢性疾病、勞動力短缺等。

四、主流醫(yī)療AR應用程序

經(jīng)過市場檢驗，目前市面上有代表性的、優(yōu)秀的醫(yī)療AR應用程序包括以下三種。

（一）Augmedics XVison

它可以幫助脊柱外科醫(yī)生在手術(shù)中實時看到患者的立體解剖學結(jié)構(gòu)，從而提高手術(shù)的精確性，提高手術(shù)的安全性[5]。Augmedics XVison的優(yōu)勢是可以讓醫(yī)生直接看著患者進行手術(shù)，而不需要分心看其他屏幕或儀器，從而提高手術(shù)效率和質(zhì)量。Augmedics XVison還是第一個獲得FDA批準的AR脊柱外科導航系統(tǒng)。Augmedics XVison的劣勢是可能需要較高的技術(shù)水平和培訓，才能熟練地使用它進行手術(shù)。Augmedics XVison還可能受到其他AR或VR技術(shù)的競爭，如Microsoft HoloLens、Surgical Theater等。

（二）HoloAnatomy

該應用程序使用Microsoft HoloLens創(chuàng)建身臨其境的交互式3D解剖學學習體驗。它允許學生和教師從任何角度探索人體，可以幫助醫(yī)學生和教師在微軟HoloLens上學習和教授人體解剖學。該應用的優(yōu)勢是可以讓學習者以3D的方式觀察和交互人體的各個部位和系統(tǒng)，從而提高學習效率和理解程度。另外，該應用還支持遠程教學，讓學習者在任何地方都能使用AR技術(shù)。

（三）Dorothy

Dorothy助手是一款旨在提高記憶力問題患者的生活質(zhì)量和獨立性的應用程序，例如癡呆癥或老年癡呆癥患者。它使用平板電腦和助行器來提供增強現(xiàn)實的指導、提醒和交流。Dorothy的特征是：1.在地板上顯示箭頭，引導用戶到達目的地；2.與智能藥瓶連接，并通過AR界面提供提醒用戶日常任務，如服藥、進食或飲水

五、醫(yī)療行業(yè)應用AR技術(shù)的優(yōu)勢和不足

AR技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域已經(jīng)應用，并且有所建樹。醫(yī)療行業(yè)應用AR技術(shù)的優(yōu)勢主要有以下幾個方面。

（一）增強了醫(yī)生的診療能力

可以更準確地診斷和治療患者。AR技術(shù)可以讓醫(yī)生更好地觀察和理解病情，尤其是在手術(shù)等復雜操作中，可以提高醫(yī)生的操作精度和安全性。同時，AR技術(shù)可以將醫(yī)學知識轉(zhuǎn)化為真實的圖像和動畫，讓醫(yī)生更好地了解病情，制定治療方案[6]。

（二）減少手術(shù)風險和失誤

AR技術(shù)可以將手術(shù)部位的結(jié)構(gòu)和位置疊加到現(xiàn)實場景中，幫助醫(yī)生更好地定位和操作，減少手術(shù)風險和誤操作，提高手術(shù)成功率和效率。

（三）模擬手術(shù)的過程

通過VR/AR技術(shù)的反復應用，利用真實的患者數(shù)據(jù)，模擬手術(shù)過程，提高醫(yī)療培訓教育的效率，減少資源浪費，降低風險。AR可以用來創(chuàng)建真實的醫(yī)療場景模擬，供學生和專業(yè)人士練習技能，從錯誤中學習。導師也能夠直觀地看到手術(shù)的過程和結(jié)果，對實習醫(yī)師的專業(yè)水平做出一定的評估。

AR還可以通過啟用數(shù)據(jù)可視化、分析、通信和互動的新方式，為醫(yī)療保健領(lǐng)域的創(chuàng)新和研究創(chuàng)造新的機會，解決當今醫(yī)療保健系統(tǒng)面臨的一些挑戰(zhàn)，如人口老齡化、慢性疾病、勞動力短缺等。

六、AR應用于醫(yī)療行業(yè)存在一定風險

AR作為一項新技術(shù)除了上述的優(yōu)勢，也存在一定的風險。

1.AR技術(shù)的精確度和穩(wěn)定性還有待提高，尤其是在手術(shù)輔助中，需要將AR圖像與人體結(jié)構(gòu)精確對齊，避免誤差和干擾。

2.AR技術(shù)的成本和可用性還比較高，需要專業(yè)的設(shè)備和軟件支持，而且在不同的醫(yī)療場景中可能需要定制化的解決方案。

3.AR技術(shù)的安全性和倫理性還存在爭議。例如，如何保護患者的隱私和數(shù)據(jù)安全，如何評估AR技術(shù)對患者和醫(yī)生的心理影響，如何規(guī)范AR技術(shù)的使用標準和質(zhì)量控制等。AR技術(shù)必須遵守與數(shù)據(jù)隱私、安全、道德等相關(guān)的各種法規(guī)和標準。這些可能會對AR創(chuàng)新和采用構(gòu)成挑戰(zhàn)。此外，一些醫(yī)療保健提供者或患者可能對AR技術(shù)持懷疑態(tài)度。

七、對策

針對醫(yī)療行業(yè)AR技術(shù)應用不足所采取的應對措施。

（一）提高AR技術(shù)的精確度和穩(wěn)定性

通過計算機輔助AR技術(shù)，將AR圖像與人體結(jié)構(gòu)精確對齊，提高手術(shù)的安全性和效率。提高AR技術(shù)的精確度和穩(wěn)定性是AR行業(yè)的一個重要目標，也是AR技術(shù)發(fā)展的一個挑戰(zhàn)。精確度和穩(wěn)定性的高低會影響AR應用的用戶體驗和實用性。提高AR技術(shù)的精確度和穩(wěn)定性需要從以下多個方面進行優(yōu)化和創(chuàng)新：

1.提高AR設(shè)備的硬件性能

AR應用需要進行大量的圖像處理和計算，如果設(shè)備的計算能力不足，則很難實現(xiàn)高質(zhì)量的AR體驗。因此，提高設(shè)備的運算能力，可以通過增加處理器的數(shù)量、使用速度更快的圖形處理器（GPU）來實現(xiàn)。AR應用需要精確跟蹤用戶的頭部和手部動作，如果跟蹤精度不夠，會影響用戶體驗。因此，可以通過增加傳感器的數(shù)量、使用更高精度的傳感器等方式來提高跟蹤精度。AR應用需要與其他設(shè)備進行連接，如攝像頭、聲音設(shè)備等。因此，增加外設(shè)接口、提高外設(shè)兼容性等方式可以增強外設(shè)功能。

2.提高AR設(shè)備的軟件性能

可以從優(yōu)化算法、減少資源占用、增加并行處理、優(yōu)化渲染效果等方面著手。優(yōu)化算法：在圖像處理與運算上，利用更高效的算法，以最優(yōu)化算法的方式來改善 AR 應用的表現(xiàn)。AR 應用需要處理多項任務，軟件的并行處理能力也要做考慮。

3.提高AR設(shè)備的無線連接能力

第一，優(yōu)化天線設(shè)計，可以采用多天線設(shè)計、無線陣列等方式。第二，采用高性能的無線模塊，如802.11ax、5G等，來提高設(shè)備的無線連接能力。第三，減少信號干擾，可以使用更低頻段的無線信號，優(yōu)化信道選擇等。

4.提高AR設(shè)備的人機交互能力

AR設(shè)備需要讓用戶感知到虛擬和現(xiàn)實的融合，可以通過震動、聲音、光線等方式來增強用戶的感知能力。舉例來說，當用戶完成某項任務時，通過震動和聲音兩種方式反饋給用戶，使用戶對任務完成情況有更好的感知能力。

5.提高機器學習、深度學習、計算機視覺等 AR 設(shè)備的智能化水平

引入人工智能技術(shù)，可以為AR設(shè)備帶來更高的智能化水平，例如，可以采用深度學習技術(shù)來識別用戶的動作和表情，從而提供更智能化的用戶體驗。AR設(shè)備需要不斷學習用戶的使用習慣和需求，可以通過增強設(shè)備的自主學習能力來提高設(shè)備的智能化水平。

（二）降低AR技術(shù)的成本

通過開發(fā)更便捷和普及的設(shè)備和軟件，讓更多的醫(yī)療機構(gòu)和患者能夠使用AR技術(shù)。目前，采取的方法一般包括：

1.利用邊緣計算和容器技術(shù)，將計算密集型的AR任務遷移到邊緣云或云端執(zhí)行，減少對移動設(shè)備的算力和電池的要求。

2.利用云原生技術(shù)，實現(xiàn)AR應用的彈性部署、云邊協(xié)同、生態(tài)構(gòu)建等功能，提高AR服務的可靠性和可用性。

3.利用深度相機等新型傳感器，提供3D輸入信息，降低AR設(shè)備對渲染場景的要求，提高AR功能的豐富性和逼真度。

4.利用衍射光學元件等新型光學技術(shù)，提高AR顯示系統(tǒng)的分辨率和視場角，降低AR設(shè)備的重量和體積。

（三）加強AR技術(shù)的安全性和倫理性

這是一個重要而復雜的問題，涉及技術(shù)、法律、社會等方方面面。有一些可實施的方法和措施：

1.建立和完善AR技術(shù)的標準和規(guī)范，制定AR技術(shù)的安全測試、評估和認證體系，保證AR產(chǎn)品和服務的質(zhì)量和可靠性。

2.加強AR技術(shù)的數(shù)據(jù)安全和隱私保護，采用加密、授權(quán)、審計等技術(shù)手段防止數(shù)據(jù)泄露、被篡改或濫用，尊重用戶的知情同意和選擇權(quán)。

3.加強AR技術(shù)的社會監(jiān)督和公眾參與，建立多方利益相關(guān)者的溝通協(xié)調(diào)機制，及時收集和反饋社會對AR技術(shù)的期待和擔憂，促進AR技術(shù)的公平、透明和可信。

八、結(jié)語

AR不會創(chuàng)造一個完全人工的環(huán)境，而是讓用戶體驗一個帶有數(shù)字信息疊加的真實環(huán)境。AR可以用來改變自然環(huán)境的視覺效果，或者提供額外的信息給用戶。AR 的主要優(yōu)勢在于，它可以在用戶感知真實世界的同時，融合數(shù)字和三維（3D）元素。AR可以通過不同的設(shè)備，如智能手機或眼鏡，向用戶提供視覺、聲音和其他感官信息。這些信息被疊加在設(shè)備上，創(chuàng)造出一種交織的體驗，其中數(shù)字信息改變了用戶對真實世界的感知。疊加的信息可以增加到環(huán)境中，也可以遮蓋部分自然環(huán)境。AR技術(shù)的相關(guān)軟硬件的結(jié)合可以幫助醫(yī)療行業(yè)提高效率和質(zhì)量。

參考文獻

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基金項目：1.安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院重點項目“基于混合現(xiàn)實手術(shù)規(guī)劃模擬系統(tǒng)移動端研究”（項目編號：2020ZDX07）；2.安徽省教育廳質(zhì)量工程項目“移動互聯(lián)應用技術(shù)專業(yè)教學團隊”（項目編號：2020jxtd093）；3.安徽省教育廳自然科學研究重點項目（項目編號：KJ2020A1082）

作者單位：安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院

責任編輯：尚丹