5、利用惯性传感器实现增强现实中3D模型与器官的精确配准

利用惯性传感器实现增强现实中3D模型与器官的精确配准

1. 引言

微创外科手术技术通过减少患者身体上的切口，能够缩短住院时间并降低术后并发症的风险。在这个背景下，增强现实（AR）技术可以为患者的解剖结构提供一种“透视”能力，直接在患者身体上显示器官的3D重建模型。此外，AR还能通过让外科医生无需在脑海中关联来自不同来源的信息，从而提高他们的注意力水平。

对于AR系统的可靠性而言，配准过程至关重要。该过程旨在确保在整个手术过程中，3D模型与真实器官之间的对应关系。为了保证即使在器官因手术器械插入或微小位移而发生变形后，误差仍小于3毫米，配准过程需要具备较高的准确性。

在增强现实应用中，跟踪真实物体的姿态和方向的典型方法可以基于标记、传感器或通过计算机视觉技术识别的特征。在医学和外科手术领域，由于对精度和准确性的要求极高，通常会使用专业的光学跟踪器。然而，光学跟踪的主要局限性在于，光学标记和相机传感器之间需要有直接的视线，而相机传感器是固定在手术室中的。另一种替代方案是电磁跟踪，它基于电磁场发生器，不需要直接视线，但工作区域内存在金属或铁磁源可能会对测量产生干扰。

为了确保最高的准确性，必须检测到解剖结构的最小变形，这些变形可能由手术器械的插入或患者正常的心肺活动引起。器官特定的生物力学模型可以提供表面变形的准确估计，但在存在显著或非线性变形的情况下，无法实时提供结果。为了使问题在计算上可行，可以在患者身体上放置传感器或标记。

本文旨在引入基于惯性传感器与立体相机检测的视觉标记相结合的混合方法，特别是针对骨科髋关节和膝关节手术。此外，还将评估将光学跟踪器检测的半反射球集成到该场景中的方法。

2. 方法