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增强现实技术在临床医学教育的应用

摘要:增强现实技术的核心是将计算机生成的虚拟信息叠加于真实场景,实现对

现实信息的增强与交互。该技术在临床医学教育领域中的应用成为研究热点。本文

介绍了增强现实关键技术,并对其在医学教育中的应用现状进行综述。与传统教学方

式相比,增强现实技术具有安全性、趣味性、可重复、可规划与反馈及可多人协作等

优势,但应用于临床医学教育领域中亦存在技术及经济成本等局限性。

关键词:增强现实;医学教育;仿真

临床医学是一类实践性极强的学科。学生能力提升依赖于大量系统化、标准化的

训练和实践。但与之相对,传统训练会增加医源性损伤的发生率。因此,临床医学教

育与患者安全性之间的平衡成为热点。仿真学习借助于多媒体、仿真、传感、人机

交互和人工智能多种技术,允许学生在可控的环境下培养临床思维、训练复杂临床方

法技巧,允许犯错而避免对真实患者造成损伤。随着科学技术发展,增强现实

(augmentedreality,AＲ)技术逐渐发展成熟并成为仿真学习中重要手段及临床医学

教育领域的研究热点［1］。AＲ技术的核心是将计算机虚拟、生成的信息叠加到真实

场景中,从而对现实信息进行增强,提高用户对现实场景的感知以及和虚拟场景的交

互。本篇文章将简要介绍AＲ系统的关键技术、在临床医学教学中的应用形式、优势

与局限性。

1增强现实系统的概念

AＲ系统强调虚拟-现实连续体。与虚拟现实相比,AＲ利用虚拟信息对真实场景进

行增强,用户能够保有身处真实场景的客观感受,更加适合解决实际问题。AＲ系统具

有3个特点:虚实结合;三维匹配:通过实时跟踪及计算影像获得位置与虚拟影像叠加

于真实场景的注册位置,实现虚拟影像与真实场景的融合;实时交互:真实场景信息

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可以实时反馈给AＲ系统［2］。

2增强现实系统的关键技术

基于上文所述AＲ系统的3个特点,该系统的关键技术主要可分为跟踪注册技术、

显示技术和智能交互技术。这些技术决定一个AＲ系统的精确度。

2.1跟踪注册技术

跟踪注册技术是实现三维匹配的基础。首先需检测客体的特征点及轮廓,并转化

为二维或三维的坐标,最终在正确位置实时显示,完成三维注册、匹配。跟踪注册技

术依据跟踪对象可分为两类［2］:跟踪对象为摄像设备:又可进一步分为基于硬件传

感器、基于计算机视觉。后者的精确度相对较高,也应用于临床医学中。例如通过体

层扫描相机对牙列外形视觉捕捉,并对此信息进行跟踪、注册［3］。跟踪对象为人:

把用户及用户周边信息作为跟踪对象。而实际上,为保证系统的精确度和更广泛的使

用范围,避免外界环境对系统的影响、干扰,一个AＲ系统中往往会用到多种跟踪注册

技术。

2.2显示技术

AＲ系统所采用的显示技术,根据成像原理的不同可分为视频式、光学透视式和投

影仪式。视频式的优点为叠加场景的图像质量高,但缺点为复杂的处理过程可导致最

终呈现的叠加场景较真实场景延迟。光学透视式真实和虚拟场景在镜片上进行融合。

投影式技术成本较低,但易受环境干扰［4］。显示设备则可分成:头戴式显示器,有文

章报道AＲ眼镜在中心静脉穿刺的仿真教学中的应用［1］。投影显示器可将虚拟场景

投射到大范围环境中,且投射焦点与用户视角无关。其他还包括手持式移动显示器、

计算机屏幕显示器。

2.3智能交互技术

常见的人机交互方式包括:基于传统硬件设备的交互方式,鼠标、手柄等硬件,对

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应虚拟场景中某一坐标,真实场景中的硬件操作反映于虚拟场景中该点的行为,手势

交互系统以及投影互动技术。

3增强现实技术在医学教育中的应用现状

AＲ技术能够将影像结果、器官3D模型等虚拟场景注册到真实环境中,提供更加

可视化、三维、可互动的效果。因此在实践类、场景识别类的医学教学内容中应用

更广泛。传统的教学方式为文字讲授、模型展示、现场观摩、动物实验甚至是直接

操作于患者。

3.1解剖

研究发现,应用基于增强现实技术的Virtuali-TeeT恤衫的学生在学习心脏解剖

后测试的结果中优秀率更高［5］。另有研究提示MagicBook可显著提升学生的解剖

知识掌握水平［6］。

3.2有创操作、外科手术

AＲ技术在有创操作、外科手术的教学中已有较多探索。由于AＲ的核心技