段昱宇 张加尧 叶哲伟

随着人口老龄化，骨科疾病的患病率呈增长趋势，其中以创伤、脊柱、关节、骨肿瘤等病人较为多见。如何精准医疗在骨科领域受到广泛关注。智能医学的发展颠覆了传统的医疗手段。增强现实(augmented reality，AR)技术是智能医学中的一个分支，是一个多学科交叉的新兴研究领域，其借助显示技术、交互技术、传感技术和计算机图形技术将计算机生成的增强信息和操作者周围的物理环境融为一体，使操作者从感官上信任虚拟信息是其周围环境的一部分，其在骨科领域的辅助诊断、术前规划、手术导航、术后康复、临床教学上发挥重要作用。

一、AR的关键技术

AR系统的工作形式是首先对图像进行虚拟建模，再对虚拟图像与真实环境的进行精确匹配，最后将图像增强的显示出来。完成上述过程则需要三大关键技术的支撑。

1.跟踪注册技术：是AR技术中最为关键的技术，注册是指将虚拟场景准确定位到真实环境中的过程，跟踪则是系统在真实场景中根据目标位置的变化来实时获取传感器位姿，并按照使用者的当前视角重新建立空间坐标系并将虚拟场景渲染到真实环境中准确位置的过程。现如今跟踪注册技术可分为以下三类：基于传感器的跟踪注册、基于计算机视觉的跟踪注册、综合视觉与传感器的跟踪注册技术，基于跟踪注册技术中不同的算法性能将直接决定着AR系统最后的使用效果。

2.显示技术：是将计算机生成的虚拟图像与使用者所处的真实环境融合起来。一款完整的AR显示技术是需要硬软件协同完成的，现已有头戴式显示器、计算机显示设备、手持式移动显示设备、投影式现实设备等。

3.智能交互：在AR技术中实现人机交互，也是该项技术的优势所在，从基于传统的硬件设备的交互技术(鼠标、键盘等)到语音识别的交互技术 、触控的交互技术 、动作识别的交互技术、眼动追踪的交互技术等，人机交互技术的发展将为AR技术打开更为广阔的应用前景[1]。

二、AR技术骨科应用前景

1.辅助诊断：在骨科诊治过程中，较为常见的辅助诊断是使用操作简单、费用相对低廉的的二维影像资料，面对较为复杂的骨科疾病，尤其是受到体位、异物、个人因素等影响时，不仅诊断准确率降低，还有可能面临漏诊隐匿性、微小损伤的问题。AR技术为骨科医生提供良好的诊断帮助，将传统的影像学数据导入AR系统，它将生成更为客观、精准和个体化的三维模型，同时对相关解剖结构进行颜色区别和标记，比如脊髓、神经、血管。建立的虚拟三维模型可提供给操作者进行旋转、缩放、标记、切割、融合，多用户可同时使用。Berhouet等[2]基于AR技术建立关节盂数据库，通过病理关节盂的三维图像绘制与“健康”的通用关节盂库进行对比，这种方法获取了更多信息，例如由于病理过程消失的病变前的肩胛盂，还有手术过程因某些原因隐藏的肩胛骨面。通过AR辅助诊断系统，医生能够更直观和系统地获得病人信息，提高确诊效率。

2.骨科手术：(1)术前规划：在传统的术前规划时，医生在术前只能分析大量扁平化的医学影像学资料，例如在脊柱周围有着重要的解剖结构，通过二维影像，术前是难以系统整合以及建立立体化的认识，易造成术前计划不够完善，手术过程中辅助透视次数就会增加，风险性、安全性受到影响，同时也不益于医护工作者之间的交流与学习。AR技术术前规划系统，采取图像分割和三维可视化的技术手段对病人的二维影像学资料进行绘制和处理，实现术前高质量的图像信息呈现，同时也可使用三维模型的虚拟切割功能，进行反复的模拟训练和交流。进一步的优化手术方案，提高了手术效率，减少了辐射的危害。徐律[3]运用术前导航系统通过绘制重要解剖部位的三维重建模型，在术前设计最优的螺钉植入路径，避开血管等重要解剖位置，术后评价反应良好。(2)术中引导：手术导航系统的诸多优势使在各医学领域应用十分广泛，现在较为常见的是红外线光学定位跟踪仪的手术导航系统，但是传统的导航系统在面对手术过程中出现移位、变形等问题上并不能进行智能实时的定位跟踪且更新信息，配准也不够精准，继而影响手术的顺利进行[4-6]。AR导航系统的出现解决了传统的设备问题，最早将AR技术应用于手术导航系统的是日本东京大学廖洪恩教授，实现了基于AR的立体空间透视手术导航，虚拟脑部解剖图像的与病人人脑进行精确叠加，并且始终与病人保持一致。通过逐年技术革新，逐渐向可穿戴装置上发展，出现了头戴式、PC端的AR导航设备。目前在骨科的不同专业手术中有所运用：①脊柱外科：美国Philips公司发布了基于AR技术的手术导航系统(augmented reality surgical navigation，ARSN)。 ARSN包括手术台，具有术中2D/3D成像功能的机动化的C形臂射线机，用于AR导航的集成光学摄像头和无创的病人运动跟踪。通过对尸体的94枚椎弓根钉置入的实验表明，ARSN的整体准确率优于徒手操作(85% 和 64%)[7]。②骨肿瘤：骨肿瘤复杂的病变位置、安全边界的精确把控、术中切除位置选择这都是骨肿瘤手术中所面临的难点[8]。Cho等[9]针对这些问题开发研制了一款基于AR技术的骨肿瘤切除导航系统，该系统通过单摄像头采集影像进行的成对点配准，在真实图像上叠加虚拟图像来显示肿瘤的范围并运用在PC端，有效地简化了传统复杂手术导航系统。通过36例骨肿瘤模型在猪盆腔内进行肿瘤切除，AR技术辅助切除组所有标本的误差均<6 mm，明显优于常规组。 ③关节外科：如何在关节置换术中提高放置的准确度，减少并发症，外科医生除了精准操作技能外，辅助手术的导航工具也发挥着重要作用。Fotouhi等[10]开发了一款新型的三维AR技术的术中导航系统，术中运用装有深度摄像机的C臂机，在骨盆上叠加虚拟图像辅助放置髋臼部件。经过临床4位医生的测试对比，发现使用该系统定位的误差程度小于传统导航系统。根据文献报道分析，基于AR技术的手术导航技术还处于摸索阶段，但是近年来已成为全球的医疗焦点。如何将AR导航技术合理与临床相结合，不仅需要技术人员的技术优化、开发，同时也需要临床医生经验实践辅助。创建更优质的临床辅助工具，提高手术疗效，是每位临床工作者的夙愿[8]。

3.术后康复：20世纪90年代以来，有关虚拟现实系统辅助康复训练被评估为是有可行性和有效性的， AR技术也在康复训练中被广泛运用。因为每位病人疾病特点以及个人因素不同，所需的场景和视觉元素差异明显，AR技术可根据康复病人自身特点定制训练方式和计划，通过系统生成的虚拟图像嵌入实景空间中，形成虚实融合的AR环境，使用者在该环境中通过交互设备进行康复训练，反复训练后再迁移到真实环境中。Chalmers科技大学的Max Ortiz Catalan于2014年首次提出AR康复治疗方法治疗慢性幻肢痛的截肢者病人，通过给病人佩戴肌电传感器，虚拟肢体直接对残肢的肌电活动作出反应同时AR技术提高肢体恢复的错觉，病人虚体肢体显示从紧握逐渐过渡到伸展状态。病人表示干预效果是积极和明显的，虽然是单个事例，但提示该项系统有应用价值[11]。 Luo 等[12]开发了一款AR的辅助装置，通过系统模拟了病人的真实生活环境，利用视觉算法定位并跟踪病人手部完成任务的情况，在家或者康复中心都可以进行手臂的康复训练，治疗师也能定期查看恢复状况。

4.骨科教学：骨科是一门专业性强，分科广，理论、技术更新快的学科，学生普遍反应学习骨科较为困难，又由于骨科在外科教学体系占比较大，临床教学培训尤为重要。使用AR技术辅助骨科教学，提升学习者的学习积极性和学习效率。(1)骨科基础知识学习：医学生长期以来是需要进行大量的系统化以及标准化的理论学习，面对复杂的骨科知识缺乏热情和主动性，这造成了一定教学困境。借助AR技术将枯燥的医学知识进行可视化，生成集视、听、触为一体的教学模型，清晰地展现在学习者的面前。比如解剖知识的学习，基于AR技术的T恤衫、骨科标本帮助学生更好认清解剖的细节，运用相关应用程序也可进行随时回顾，师生间也可进行互动[13-15]。(2)临床教学：临床医生培养需要大量系统化、标准化的训练以及实践。面对医患的微妙关系、医源性损伤、师资力量匮乏等一系列问题，传统的临床教学较难推进。在教学过程与增强技术相结合发挥优势和特点可解开传统临床教学所面临的问题。例如外科手术的操作训练，运用AR技术可穿戴设备，进行手术的模拟，系统会自动给予评价进行改善，训练也可反复进行[16-17]。

三、远程医疗

我国医疗资源分配极不平均，80%集中在大中城市。这导致看病难，看病贵，人才流失等问题的出现。面对医疗分配不均或突发产生医疗困境，远程医疗系统能够发挥重要作用。远程医疗系统是依托着计算机，卫星通信，遥感、遥测和遥控等高新技术，提供远距离的医疗服务和医学教育，与AR技术的结合则产生了一种新型的交互模式，使远程医疗更加多元化。此次新型冠状病毒疫情防控期间，5G远程AR视频实时会诊系统得到应用，远程专家可以将手势、文字、图像、视频等医疗指令信息，实时传递给现场抢救的医护人员，使医疗指令可以更好地量化传达，提高会诊精确性[18]。新型AR远程医疗系统支持音视频信号实时交互、视频融合、病情/医疗信息AR显示、医疗指令AR量化传达，可以在无人值守时持续实时监控并实现视频通话、广播、报警等功能。在远程医疗的有效应用也延展了AR技术应用前景，为我国医疗行业起到更为积极作用[19]。

四、展望

在智能医学迅速发展的大环境下，大数据、医用机器人、5G远程医疗等将进一步拓宽AR技术的前景。同时AR技术的研究与发展也面临严峻挑战：第一，缺少海量的数据积累和技术创新；第二，尚未建立完善的评估体系；第三，如何让AR技术与其他现代技术同步进行发挥更大价值；第四，医-工类专业人才的缺口较大。但这同样是机遇和趋势，AR技术运用于骨科领域，这将对辅助诊断、术前规划、手术导航、术后康复、临床教学、远程医疗等方面带来颠覆式的变化，这将大大节省人力和社会资源，带来可观的经济社会效益。相信随着AR技术的不断进步，它将是骨科精准医疗以及提升医疗服务水平的主力军。