1、基于增强现实的医学手术导航系统研究【摘要】增强现实是一种图形学领域的新技术，通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。将病人术前或术中影像数据和手术床上病人解剖结构准确对应，并在手术中跟踪手术器械并将手术器械的位置在病人影像上以虚拟探针的形式对人体结构进行 3D 重建，实时更新显示，使医生对手术器械相对病人解剖结构的位置一目了然，使外科手术更快速、更精确、更安全。 【关键字】增强现实，定标方法，虚实配准 1.引言 医学成像的发展史已经过去了半个世纪，从显微镜的发明到现在的CT 技术，使得医学诊断和医疗技术取得了很大的进展，X 射线计
2、算机断层成像（CT） 、核磁共振（MRI）等。传统的医学导航方法中，医生通过CT 或 MRI 图像根据诊断经验在自己脑海中想象出病灶的三维位置，因此在术前无法对病灶位置进行准确的定位；在手术中，对于如何避开重要的功能区、神经及血管，找到一条通往病灶的捷径，并深入病灶也是十分困难的。在这种情况下，提供一种新的医学图像方法，使得医生在术前及术中对病人各部位解剖、血管及功能有一个更直观、更准确的认知。近来出现的计算机辅助外科手术系统（CAS） ，基于图像的外科手术导航（IGS）等就是在信息科学高速发展并应用于医学的成果。计算机辅助外科手术，指计算机直接参与的各种外科手术方法，它包括术前诊断、远程手术
3、、虚拟现实等。基于图像的外科手术导航相较于计算机辅助外科手术系统更确切的指基于医学图像的导航技术，指利用医学图像信息为手术机械导航，目的在于最大可能的为医生提供病灶部位信息。利用这项技术，医生可以在在术前获得手术部位的三维信息，更明确的制定手术计划。基于图像的手术导航技术是融合了计算机、影像、医学的技术。它是基于 3D 重建的，使得整体图像数据与病人匹配而不是单个点匹配。 2.增强现实技术在医学手术导航上的应用 基于图像的手术导航技术的应用给外科手术带来了极大的便利，但是医生无法在手术中一边看人体组织的 3D 显示，一边将 3D 显示与病人真实的解剖部位进行对应。正是由于这样的缺陷，出现了基于
4、增强现实的手术导航系统。增强现实（AR：Augmented Reality）是一种图形学领域的新技术，它将计算机绘制的虚拟模型融合到使用者所看到的真实世界景象中。使用者可从计算机描绘的虚拟模型中获得额外的信息，从而对真实环境进行增强。它具有三大特点：虚实结合、实时交互、三维匹配。 增强现实技术的出现与发展得益于图形学领域的虚拟现实技术（VR：Virtual Reality） ，可以说增强现实技术是虚拟现实技术的进一步发展，两者之间既存在不可分割的密切关系，又有着显著的差别。虚拟现实系统强调用户在虚拟环境中的视觉，触觉，听觉等器官完全浸没，强调将用户的感官与现实世界无关，沉浸在由计算机控制的信息
5、空间（Cyberspace）内。而增强现实系统不仅不切断用户与现实世界的联系，反而更加强调用户在现实世界中的存在，并竟可能维持各感官的正常运作。 增强现实系统的最终目标是将计算机生成的虚拟环境和用户所处的真实环境有机的结合，使它们看起来像一个整体，通过软硬件合作，使得用户可以更自然的将真实环境和虚拟物体进行三维转换。 AR 技术将虚拟现实与真实世界连接起来，在各个领域都有广阔的应用前景，如军事、医学、机械、设计、娱乐等。通过增强现实技术，将CT 或 MRI 等医学图像三维重建得到虚拟模型，再将此虚拟模型同病人身体部位融合，从而实现对手术的导航作用。外科医生可通过此技术获取更加准确直观的病人的身
6、体信息。 增强现实技术在医学手术中的重要角色有： 空间变换（定标）：测定真实和虚拟物体的位置和方向角，确定各系统相对于真实世界的坐标变换关系，使得计算机产生的虚拟物体与真实世界的配准和融合称为可能。 虚实匹配：将计算机绘制的虚拟环境与真实环境结合起来，使它们看上去像一个整体。 显示：3D 可视化得到的虚拟模型与真实环境的融合，以增强现实的形式展现给外科医生。 3.ARToolkit 程序框架 基于 ARToolKit 的应用程序可以在实时视频中显示有景深的虚拟影像（透视投影） ，用于跟踪的是黑色的形状标记。 ARToolkit 中主要的算法是： 1.marker 的识别； 2.投影。其中 AR
7、Toolkit 中实现的投影关系是最复杂的。ARToolkit巧妙的利用近小远大及投影关系来计算卡片相对摄像机远近，以及旋转（X 轴/Y 轴/Z 轴）的相对位置。具体算法由线性代数计算并实现。 程序执行或实现过程包括： 初始化：1、初始化视频捕捉设备并读取标识板文件和摄像头参数init（） 主循环：2、捕获图像输入架构中arvideogetimage（） 3、侦测标识板和识别样式ardetectmarker（） 4、计算摄像头和侦测到的图像间的关系argettransmat（） 5、在侦测到的图样上现实虚拟物体argDrawMode2D（） argDrawMode3D（） 关闭： 6、关掉视频
8、捕捉窗口cleanup（） 4. 总结 基于增强现实的外科手术导航融合了计算机、影像、医学等一系列技术，使得医学诊断和治疗有了很大的突破。本文简要介绍了增强现实技术的主要算法，以及实现平台。首先介绍了基于增强现实的手术导航系统的概念和意义，并对主要技术进行简要介绍。 接着介绍科学计算的可视化方法。着重介绍了用到的面绘制Marching Cube 算法。之后对 ARToolkit 的重要函数的结构进行分析。文章的主要工作是介绍实现所涉及到的大致算法及内容。 参考文献： 1黄蓝枭，卢光辉，何明耘，蔡洪斌.基于 GPU 的实时景深模拟J.计算机应用研究， 2008， 25（10）：3045-3047. 2黄侃.计算机立体视觉中的摄像机标定算法的研究与应用D. 沈阳工业大学， 2007：12-56. 3 张连怡，王爱平，万国伟等. 基于 SIFT 的三视图像特征匹配算法J.计算机工程， 2008， 34（13）：177-179.
