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增強實境技術及在外科中的應用

來源 : 中國醫療設備雜誌2021年第7期
update : 2021/10/14
引言
增強現實(Augmented Reality,AR)是一種將虛擬模型即時結合到現實場景的新技術。其基本目標是加強使用者對現實場景的感知和互動,通過在現實世界中添加與現實世界共存的三維虛擬物體來補充現實世界。在醫學領域中,AR 設備的發展允許醫生將資料視覺化納入診斷和治療程式,以提高工作效率和安全性,並加強外科培訓。

昝瑛瑛等[1] 在研究提到“sensorama”於20 世紀50 年代被開發出來,這是一種可以提供所有感官的電影體驗機器。“增強現實”一詞則是於1994 年由Milgram 等[2] 正式提出。而將這種虛擬與現實結合的新技術正式應用於外科領域中,則是Roberts 等[3] 於1986 年明的一種將CT 圖像集成到手術顯微鏡的光學系統。此後,AR 技術開始被廣泛應用於各類外科手術之中。

1 AR系統的核心技術
1.1 跟蹤註冊技術(三維註冊)
AR 系統的一個關鍵衡量標準是它們將增強功能與現實世界相結合的程度,而跟蹤註冊技術則是實現這種精准匹配的關鍵性技術之一。其原理就是即時的將虛擬場景渲染到真實環境中準確位置,從而確保映射的準確性[4]。目前現有的跟蹤註冊技術主要有基於電腦視覺、基於硬體設備以及混合跟蹤註冊技術三種。

1.1.1 基於電腦視覺的跟蹤註冊技術
基於電腦視覺的跟蹤註冊技術主要有兩種方法,一為帶標記追蹤的方法,二為不帶標記(自然特徵)追蹤的方法[4]。基於帶標記的方法,需要在真實空間中放置標識物,使用標識物的目的就是能夠快速地在真實空間中找到標識物,而後根據標識物的資訊快速建立虛擬空間與真實空間的座標映射關係。基於自然特徵的方法,主要通過分析即時圖像,提取相匹配的自然特徵點,再利用這些特徵點計算出一個變化矩陣,從而得出一個與真實空間相對應的三維虛擬空間。該項技術不需要額外的外部設備,計算精度高,且具有對多目標識別追蹤能力。但特徵點的提取需要大量繁雜的計算過程,因此基於自然特徵的追蹤方法對設備具有較高要求且對環境變化的反應較為遲緩。

1.1.2 基於硬體設備的跟蹤註冊技術
基於硬體設備的跟蹤註冊技術通過各類感測器與感知器的相互作用即時捕捉觀察者的位置、視場等資訊,從而達到虛擬空間坐標系與真實空間坐標系的準確轉換,如GPS、陀螺儀、磁力感測器等。其優點在於定位速度快、攜帶方便、即時性好,但也有需要額外的外部設備及精度受外部環境影響較大等不足...完整資訊