摘要：增强现实（Augmented Reality，简称 AR），是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。因其独特的虚实结合,实时交互等优点对医学领域起到很大的帮助,已成为辅助医学治疗的新兴手段.本文介绍了AR技术的特征及关键技术,以及在医学中的应用现状,具体包括AR在医学上利用其实时可视化引导系统在股骨头坏死髓芯减压术中定位试验，以及增强现实辅助电磁导航下的内镜逆行胰胆管造影胆管插管定位技术模型研究，初步试验成功；并且对未来AR技术进行预测与展望。

关键词：AR；医学；实时可视化

一、AR技术在医学上的突破

1．基于AR技术的可视化实时引导系统在股骨头坏死髓芯减压术中定位的初步临床试验

1．1病例背景资料与当下解决方案

股骨头坏死好发于中青年这些患者,应尽可能采取适当的措施来延缓或避免关节置换。在青壮年股骨头坏死患者的治疗中,髓芯减压术可有效缓解疼痛和延缓股骨头塌陷进展【1】，髓芯减压结合植骨本是对单纯髓芯减压术的改进，有研究证实其对于早期股骨头坏死患者有更好的治疗效果【2】,但此术式术中坏死灶定位穿刺仍有一定的盲目性,面临着反复穿刺、高辐射暴露,耗时较长且不稳定的问题【3】。

AR技术是一种虚拟影像与现实环境的交互体验方式,它将原本在现实世界中难以直接由感官感知到的信息叠加至实时视频画面中，实现虚拟与现实的融合【4】。AR技术与外科手术的结合屡被尝试,如基于AR导航的椎马根螺钉植入【5】、AR技术辅助的骨折治疗【6】和骨肿瘤切除等，但在髓芯减压术穿刺引导方面，国内外暂未见相关文献报道。

传统的穿刺定位方法是通过穿刺过程中反复的床旁透视进行，对术者的个人经验、手眼协作能力都有较高要求。有统计数据表明，即使是基于X线透视的计算机辅助穿刺相关操作,术中置入导针的失位率也在2%--15%,也有研究者尝试将计算机断层扫描(computer1omographyCT)引入本术式，目前也仅停留在体外实验阶段。 

1.2技术应用与试验

AR技术在骨科手术中的应用尚处于起步阶段。AR技术的精准性、便捷性、实时可视化等优势使其在骨科手术实践中有着广阔的应用前景。

本试验开发的手术引导系统在术前配准过程规划出了虚拟手术区域。在此区域内均能保证NDI光学追踪设备的高精度追踪和虚拟克氏针显示，可按需调整患髋角度进行二次拍摄与叠加，术前手术区域平均配准时间为15min。配准完成后在同一个区域进行新的手术，不需要再重新配准。只需将待手术的患者平移置此区场内即可。本系统使用自主研发的无创体表定位装置完成患处的配准，不会造成任何穿刺之外的损伤。其有更高的安全性，更加符合“微创”的手术原则。

在基于AR技术的可视化实时引导系统的辅助下，有望解决股骨头环死髓芯减压术中定位反复中网、辐射暴露较高的问题，且穿划定位具有较高的准确性，在实现股骨头坏死髓芯减压术中定位实时可视化的同时，保证了穿刺的精准 ，因此实现术中实时可视化的方法可行。

2.增强现实辅助电磁导航下的内镜逆行胰胆管造影胆管插管定位技术模型研究

2.1背景

内镜下逆行胰胆管造影术（endoscopic retrograde cholangiopancreatography,ERCP）术者时常会面临选择性肝内胆管超选困难的问题，且反复尝试插管大大增加了术后并发症的发生。近年来，在手术中使用增强现实辅助电磁跟踪进行导航已成为微创手术中的重要辅助工具。目前导航技术多用于神经外科和骨科。主要是因为这两个科室疾病可以参照手术区域的骨性结构较多，没有呼吸运动干扰、软组织变形等影响，配准手术路线相对容易，可以实现较为精准的导航精度。但是，腹部区域的AR手术导航系统易受运动，呼吸的影响。这使导航注册过程变得更困难，我们的模型是静态模型，而真实胆管会受自身呼吸和脉搏影响而相对移动，因此，AR辅助电磁导航引导ERCP胆管插管应用于临床。其最大的难度是配准精度。目的增强现实辅助电磁导航引导ERCP胆管插管在3D打印胆道模型中的定位精度。

2.2探索与试验

将一例肝内外胆管扩张患者的腹部CT的胆道进行三维重建，将结果通过3D打印生成一个1∶1.36的胆道树脂模型。在胆道模型内嵌入标记物作为导航精度测量的“靶点”，并固定在人体腹部体模中。在体模基底和皮肤表面分别贴上配准标志物和标记物。对体模行CT平扫，得到体模的标准三维图形（STL）。在乳头括约肌切开刀通道内部安装一个电磁传感器，用于追踪其在模型中的位置，并使用图像叠加构建一个增强现实导航平台。通过术前CT扫描获得体模配准标志物和标记物的图像坐标，实验中再获取其磁场坐标，完成术前术中配准和增强现实精度分析。

2.3结果

 在体模上行ERCP胆管插管，在AR辅助电磁导航下乳头括约肌切开刀被准确引导进入左右肝管，导航精度误差为（0.949±0.033）mm,可达到临床应用的要求。

 模型实验证实了AR辅助电磁导航ERCP胆管插管的可行性，为进一步在临床应用奠定了基础。

本研究将AR辅助电磁导航系统引人 ERCP胆管插管，在基于胆道3D打印模型的试验中可达到精确的导航效果。虽然应用于临床仍需解决一些技术问题。但这些技术难题通过研究终将被解决，该项导航技术一定有临床应用前景。

二、AR发展趋势与未来展望

1.增强现实(AR)技术趋于稳定

近年来，全球行业巨头纷纷开展增强现实(AR)产品研发，例如2012年谷歌公司率先推出一款AR眼镜—Google Project Glass，紧接着微软、苹果、任天堂、华为、腾讯等公司也发布相关AR产品。

从增强现实(AR)技术申请情况来看，通过智慧芽“AR”关键词搜索显示，全球增强现实(AR)技术申请量2016年以前增长较为平稳，2016年以后增长较快，2020年有所回落。随着增强现实(AR)技术申请量的不断增加，行业技术慢慢走向成熟。根据Gartner发布的2020年新技术成熟度曲线（如上图）AR技术正式脱离该名单，说明AR技术趋于稳定，从一项有待观察的技术转变为可以使用的技术。

2.AR用户规模将持续增加

随着增强现实(AR)技术趋于成熟，其产业应用速度也将加快，增强现实(AR)行业将迎来爆发，其用户规模将持续增加。根据德勤数据显示，到2025年，全球近75%的人口和几乎所有使用社交/通信应用程序的人都将成为AR的频繁用户，用户每天将拍摄超过45亿个视频和照片。

3.行业将高速增长

根据中国信通院数据显示，2020年全球增强现实(AR)终端出货量约为63万台，到2024年将达到4125万台，年复合增长率达到188%；2020年全球增强现实(AR)行业市场规模约为280亿元，到2024年将达到2400亿元，年复合增长率达到66%。

增强现实技术在未来的发展中会渗透到生活中的各个领域，比如设计师可以利用AR共享视角，办公室白领可以在桌子上、墙壁上甚至是地板上做PPT，厨师在做饭前可以先看一遍做菜步骤，医生在手术前看到虚拟演示，游戏也不再局限于屏幕都会带入真实世界。我们相信AR技术能够改变人们的生活方式。

参考文献

【1】 Floerkemeier T,Luts A,Nackenhorst U,et al.You only look once;unified,real-time object detection[C]//Computer Vision&Pattern Recgnition.IEEE,2016.

【2】 陈冬冬等.3D打印导航模板辅助髓芯减压植骨治疗ARCO2期非创伤性股骨头坏死[J].中国组织工程研究，2020,24（27）：4322-4327.

【3】 ChengJ.Chen K.Chen W.Comparison of morker-based AR and markerless AR:Acase studyon indpor decoration systemlML2017.

【4】 Elmi-Terander A,Burstrom GNachabe R.et al. Pedic le screw placement

【5】 using anigmented reality surgicaln avigation with intraoperative 3D imaging Afirst in-human prospectivecohort studylJl Spine(Phila Pa 1976)2019,44(7);517-525.

【6】 MaLZhaoZZhangB.etaThreedimensional augmented realit surgical navigation with hybrid aptical and electromagnetie tracking for distal intramedullary nail interlock inglil.Int1 Med Robot,2018.14(4):1909.