AR技术在医疗行业中的应用研究

刘斌

摘要：增强现实技术在医疗领域有着广阔的发展空间和深远的影响，将虚拟图形和现实世界融合，提高用户在医疗行业对事物的理解和感知。旨在探讨AR技术在医疗领域中如何使用，并分析其优势与局限性。了解并总结国内外关于AR技术在医疗领域中使用情况与趋势；分析并评价AR技术在医疗领域各类场景下使用特点；针对分析发现的不足总结出相应的对策。

关键词：AR技术；虚拟图形；医疗领域；场景

一、前言

增强现实（AR，Augmented Reality，下文简称AR）是一种数字化技术，将虚拟信息叠加到现实环境中，实时交互。AR技术可以通过智能眼镜、手机、平板等设备来实现。AR技术具有丰富、互动、沉浸等特点，可以为用户提供更直观、更高效、更安全的信息服务。医疗领域的AR技术应用是最重要的，也是最有前景的。在医疗教育、诊断治疗和康复护理等方面，AR技术可以扮演重要角色[1]。

二、医疗领域应用AR技术的理论基础

AR技术的工作原理是在屏幕上叠加数字图像或信息于真实世界。它使用了智能手机、平板电脑或智能眼镜等装备摄像头的设备，并配备了AR软件。AR软件通过分析视频流的计算机视觉技术识别对象或环境。然后，该设备从云端下载有关对象或环境的信息，并以3D格式显示在屏幕上。用户可以和AR内容进行互动，通过触屏、语音或手势等方式。AR内容也可以根据用户的运动和视角而变化。在医疗行业中，AR技术可以帮助医生更好地观察和诊断患者的病情，也可以让患者更好地理解自己的病情。在AR技术中，通常需要借助三维建模技术将医学图像转化为三维模型，然后通过AR技术将其呈现在现实场景中。

AR技术的应用在医疗行业通常包括建模、渲染、互动、反馈四个步骤。首先，建模阶段是将真实的物体或环境通过计算机建模的过程，生成虚拟现实环境。其次，渲染阶段是在用户能够看到虚拟现实环境投影到头戴式显示器或眼镜上[2]。交互阶段是使用者与虚拟现实环境进行互动的过程，通过手柄、手势识别、语音识别等方式，与虚拟现实环境进行交互。反馈阶段是虚拟现实环境对用户动作的反应，包括视觉反馈，音频反馈，触觉反馈等。

三、国内外关于医疗领域使用AR技术的形势和趋势

近年来，国内外都开始重视和发展医疗领域的AR技术应用。有关AR技术在医疗领域的应用，大致有以下几个方面：

（一）医学成像方面

计算机视觉和图像处理技术，使医生可以在病人身上实时获取和显示相关的医学图像信息，从而提高了医疗诊断和治疗的效率和准确性。AR技术可以將医学影像信息与患者的实际情况相结合。首先，医生需要使用医学成像设备获取病人的相关图像，如CT扫描、MRI等。然后，将这些图像上传到计算机软件中进行处理和分析，生成一个虚拟的三维模型。接下来，将这个虚拟模型与病人的实际情况结合起来，通过AR技术投影到医生所看到的场景中，从而使医生可以实时观察到病人的内部情况。

（二）外科手术方面

AR技术的应用不仅可以在手术前进行诊断和规划，还可以在手术过程中进行实时引导和监测。例如，在手术前，医生可以使用AR技术将病人的图像信息与手术区域进行对比，确定手术方案和操作路径。在手术过程中，医生可以使用AR技术引导手术器械的位置和方向，实时监测手术进展情况，从而最大限度保护病人的安全和健康。同时，AR技术也可以实现远程协作和指导，让专家能够通过视频或语音与现场医生进行交流。

（三）临床治疗方面

在康复训练、心理治疗、眼科治疗等领域，都可以融合AR技术。通过空间AR设计手及手臂康复系统，AR技术可以在患者康复过程中提供更具互动性和吸引力的体验。它还可以将康复的进展以可视化的形式提供给患者，以此来提高患者继续治疗的动力。AR通过模拟恐惧情景进行暴露疗法，通过调整光线来改善色盲、近视等眼部问题。此外，AR通过将患者的静脉地图投射到皮肤上，可以帮助护士轻松找到静脉，进而减少抽血或静脉插入期间的疼痛和并发症。

主流产品实现AR技术应用于医疗行业的主要功能包括基础模型导入、医学仿真[3]、立体实现与操作等几大部分。将CT数据导入VR医疗模拟辅助系统进行应用，数据存储于数据库中，可以做到一次投入，反复使用。一方面，在已经有了模型的基础上，借助相关设备，模拟外科手术穿刺过程。用户手持虚拟的穿刺针，从任意角度对脏器进行穿刺，系统将根据穿刺的路径和角度， 反馈穿刺过程中穿刺针刺入的器官和组织，记录穿刺路径并显示，同时将结果以三维MR图像和文本形式显示出来。另一方面，通过混合现实交互设备，指定切割平面或曲面， 可实时调整切割面，以达到最理想的切割位置， 之后显示切割后的脏器形态，和切割前后对比， 计算出指定器官或组织的体积，包括切割后器官的体积。这样做便于医务人员在确定手术方案前，更准确地把握手术数据，避免因切除部分太大而剩余脏器太小，使器官无法工作导致患者发生危险的可能，从而有效降低手术风险，便于医务人员确定手术方案。

AR技术可以在手术前将疾病的发生、发展和治疗过程以图像和动画的形式呈现，帮助患者更好地理解自己的病情和治疗方案。这也是避免医患纠纷，使医患沟通成本大大降低的有效途径之一。手术过程中，AR可以用于手术导航，利用虚拟图像叠加在真实世界中，帮助外科医生观察患者的内部结构和数据。AR可用于在手术期间将患者器官或肿瘤的3D模型投射到他们的身体上，这可以帮助外科医生更精确地计划和执行手术。这种技术可以让医生更好地理解病情，同时也可以让患者更加直观地了解自己的病情。在手术中，医生需要在有限的时间内完成复杂的手术操作，AR技术可以提供更好的空间感知能力，减少手术风险和误操作。

在未来，AR技术将进一步拓展医疗领域的应用场景，比如AR技术与人工智能技术的结合，可以实现更加精准地诊断和手术操作。同时，AR技术也可以在康复治疗中发挥重要作用，比如通过AR游戏等方式，提高患者的康复效果和满意度[4]。医疗领域AR技术应用前景广阔，意义非常重大。AR还可以通过启用数据可视化、分析、通信和互动的新方式，为医疗保健领域的创新和研究创造新的机会。AR还可以解决当今医疗保健系统面临的一些挑战，如人口老龄化、慢性疾病、劳动力短缺等。

四、主流医疗AR应用程序

经过市场检验，目前市面上有代表性的、优秀的医疗AR应用程序包括以下三种。

（一）Augmedics XVison

它可以帮助脊柱外科医生在手术中实时看到患者的立体解剖学结构，从而提高手术的精确性，提高手术的安全性[5]。Augmedics XVison的优势是可以让医生直接看着患者进行手术，而不需要分心看其他屏幕或仪器，从而提高手术效率和质量。Augmedics XVison还是第一个获得FDA批准的AR脊柱外科导航系统。Augmedics XVison的劣势是可能需要较高的技术水平和培训，才能熟练地使用它进行手术。Augmedics XVison还可能受到其他AR或VR技术的竞争，如Microsoft HoloLens、Surgical Theater等。

（二）HoloAnatomy

该应用程序使用Microsoft HoloLens创建身临其境的交互式3D解剖学学习体验。它允许学生和教师从任何角度探索人体，可以帮助医学生和教师在微软HoloLens上学习和教授人体解剖学。该应用的优势是可以让学习者以3D的方式观察和交互人体的各个部位和系统，从而提高学习效率和理解程度。另外，该应用还支持远程教学，让学习者在任何地方都能使用AR技术。

（三）Dorothy

Dorothy助手是一款旨在提高记忆力问题患者的生活质量和独立性的应用程序，例如痴呆症或老年痴呆症患者。它使用平板电脑和助行器来提供增强现实的指导、提醒和交流。Dorothy的特征是：1.在地板上显示箭头，引导用户到达目的地；2.与智能药瓶连接，并通过AR界面提供提醒用户日常任务，如服药、进食或饮水

五、医疗行业应用AR技术的优势和不足

AR技术在医疗领域已经应用，并且有所建树。医疗行业应用AR技术的优势主要有以下几个方面。

（一）增强了医生的诊疗能力

可以更准确地诊断和治疗患者。AR技术可以让医生更好地观察和理解病情，尤其是在手术等复杂操作中，可以提高医生的操作精度和安全性。同时，AR技术可以将医学知识转化为真实的图像和动画，让医生更好地了解病情，制定治疗方案[6]。

（二）减少手术风险和失误

AR技术可以将手术部位的结构和位置叠加到现实场景中，帮助医生更好地定位和操作，减少手术风险和误操作，提高手术成功率和效率。

（三）模拟手术的过程

通过VR/AR技术的反复应用，利用真实的患者数据，模拟手术过程，提高医疗培训教育的效率，减少资源浪费，降低风险。AR可以用来创建真实的医疗场景模拟，供学生和专业人士练习技能，从错误中学习。导师也能够直观地看到手术的过程和结果，对实习医师的专业水平做出一定的评估。

AR还可以通过启用数据可视化、分析、通信和互动的新方式，为医疗保健领域的创新和研究创造新的机会，解决当今医疗保健系统面临的一些挑战，如人口老龄化、慢性疾病、劳动力短缺等。

六、AR应用于医疗行业存在一定风险

AR作为一项新技术除了上述的优势，也存在一定的风险。

1.AR技术的精确度和稳定性还有待提高，尤其是在手术辅助中，需要将AR图像与人体结构精确对齐，避免误差和干扰。

2.AR技术的成本和可用性还比较高，需要专业的设备和软件支持，而且在不同的医疗场景中可能需要定制化的解决方案。

3.AR技术的安全性和伦理性还存在争议。例如，如何保护患者的隐私和数据安全，如何评估AR技术对患者和医生的心理影响，如何规范AR技术的使用标准和质量控制等。AR技术必须遵守与数据隐私、安全、道德等相关的各种法规和标准。这些可能会对AR创新和采用构成挑战。此外，一些医疗保健提供者或患者可能对AR技术持怀疑态度。

七、对策

针对医疗行业AR技术应用不足所采取的应对措施。

（一）提高AR技术的精确度和稳定性

通过计算机辅助AR技术，将AR图像与人体结构精确对齐，提高手术的安全性和效率。提高AR技术的精确度和稳定性是AR行业的一个重要目标，也是AR技术发展的一个挑战。精确度和稳定性的高低会影响AR应用的用户体验和实用性。提高AR技术的精确度和稳定性需要从以下多个方面进行优化和创新：

1.提高AR设备的硬件性能

AR应用需要进行大量的图像处理和计算，如果设备的计算能力不足，则很难实现高质量的AR体验。因此，提高设备的运算能力，可以通过增加处理器的数量、使用速度更快的图形处理器（GPU）来实现。AR应用需要精确跟踪用户的头部和手部动作，如果跟踪精度不够，会影响用户体验。因此，可以通过增加传感器的数量、使用更高精度的传感器等方式来提高跟踪精度。AR应用需要与其他设备进行连接，如摄像头、声音设备等。因此，增加外设接口、提高外设兼容性等方式可以增强外设功能。

2.提高AR设备的软件性能

可以从优化算法、减少资源占用、增加并行处理、优化渲染效果等方面着手。优化算法：在图像处理与运算上，利用更高效的算法，以最优化算法的方式来改善 AR 应用的表现。AR 应用需要处理多项任务，软件的并行处理能力也要做考虑。

3.提高AR设备的无线连接能力

第一，优化天线设计，可以采用多天线设计、无线阵列等方式。第二，采用高性能的无线模块，如802.11ax、5G等，来提高设备的无线连接能力。第三，减少信号干扰，可以使用更低频段的无线信号，优化信道选择等。

4.提高AR设备的人机交互能力

AR设备需要让用户感知到虚拟和现实的融合，可以通过震动、声音、光线等方式来增强用户的感知能力。举例来说，当用户完成某项任务时，通过震动和声音两种方式反馈给用户，使用户对任务完成情况有更好的感知能力。

5.提高机器学习、深度学习、计算机视觉等 AR 设备的智能化水平

引入人工智能技术，可以为AR设备带来更高的智能化水平，例如，可以采用深度学习技术来识别用户的动作和表情，从而提供更智能化的用户体验。AR设备需要不断学习用户的使用习惯和需求，可以通过增强设备的自主学习能力来提高设备的智能化水平。

（二）降低AR技术的成本

通过开发更便捷和普及的设备和软件，让更多的医疗机构和患者能够使用AR技术。目前，采取的方法一般包括：

1.利用边缘计算和容器技术，将计算密集型的AR任务迁移到边缘云或云端执行，减少对移动设备的算力和电池的要求。

2.利用云原生技术，实现AR应用的弹性部署、云边协同、生态构建等功能，提高AR服务的可靠性和可用性。

3.利用深度相机等新型传感器，提供3D输入信息，降低AR设备对渲染场景的要求，提高AR功能的丰富性和逼真度。

4.利用衍射光学元件等新型光学技术，提高AR显示系统的分辨率和视场角，降低AR设备的重量和体积。

（三）加强AR技术的安全性和伦理性

这是一个重要而复杂的问题，涉及技术、法律、社会等方方面面。有一些可实施的方法和措施：

1.建立和完善AR技术的标准和规范，制定AR技术的安全测试、评估和认证体系，保证AR产品和服务的质量和可靠性。

2.加强AR技术的数据安全和隐私保护，采用加密、授权、审计等技术手段防止数据泄露、被篡改或滥用，尊重用户的知情同意和选择权。

3.加强AR技术的社会监督和公众参与，建立多方利益相关者的沟通协调机制，及时收集和反馈社会对AR技术的期待和担忧，促进AR技术的公平、透明和可信。

八、结语

AR不会创造一个完全人工的环境，而是让用户体验一个带有数字信息叠加的真实环境。AR可以用来改变自然环境的视觉效果，或者提供额外的信息给用户。AR 的主要优势在于，它可以在用户感知真实世界的同时，融合数字和三维（3D）元素。AR可以通过不同的设备，如智能手机或眼镜，向用户提供视觉、声音和其他感官信息。这些信息被叠加在设备上，创造出一种交织的体验，其中数字信息改变了用户对真实世界的感知。叠加的信息可以增加到环境中，也可以遮盖部分自然环境。AR技术的相关软硬件的结合可以帮助医疗行业提高效率和质量。

参考文献

[1]陈浩天.远程虚拟康复技术在骨科康复治疗中的研究进展[J].中国医学创新，2022，19（29）：180-184.

[2]胡文歆.结合情境分析和用户研究理论的医AR眼镜产品设计研究与实践[D].上海：华东理工大学，2020.

[3]范丽亚，马介渊，张克发，等.VR/AR技术在人体解剖教学及手术培训中的应用[J].科技导报，2020，38（22）：31-40.

[4]郭巴图.面向下肢康复的移动增强现实游戏设计与实现[D].武汉：华中科技大学，2020.

[5]段昱宇，张加尧，叶哲伟.增强现实技术在骨科的应用现状及前景[J].临床外科杂志，2020，28（04）：301-303.

[6]张品.基于增强现实的精准术前规划技术研究[D].绵阳：西南科技大学，2020.

基金项目：1.安徽商贸职业技术学院重点项目“基于混合现实手术规划模拟系统移动端研究”（项目编号：2020ZDX07）；2.安徽省教育厅质量工程项目“移动互联应用技术专业教学团队”（项目编号：2020jxtd093）；3.安徽省教育厅自然科学研究重点项目（项目编号：KJ2020A1082）

作者单位：安徽商贸职业技术学院

责任编辑：尚丹