裸眼三维显示技术在医学领域中的应用.pdf

Chinese Journal of Medical Instrumentation文章编号：16 7 1-7 10 4(2 0 2 4)0 1-0 0 38-0 62024年48 卷第1期中国医疗器械朵志综合评述裸眼三维显示技术在医学领域中的应用【作【摘【关键词】裸眼三维：三维显示：医学应用【中图分类号】1R318.6【文献标志码】AApplications of Naked-Eye 3D Display Technology in Medical Field Authors I ZHANG Yunmeng,LIU Shenglin2,FENG Qingmin,HUANG Lina,ZHANG Qiang?1 Biomedical Engineering Lab,Union Hospital,Tongji Medical College,Huazhong University of Scienceand Technology,Wuhan,4300222 Hubei Provincial Engineering Research Center of Clinical Laboratory and Active Health SmartEquipment,Wuhan,430022 Abstract I Naked-eye 3D display technology has excellent 3D visual effects and does not require wearable devicesassistance.It can present the depth,position and complex structure information of 3D medical images,allowing viewers to obtain information about tissues and organs from different points,reducing cognitiveload,contributing to medical teaching and opening up innovative methods for planning and diagnosis.Naked-eye 3D augmented reality display can display medical images in real 3D space,achieving virtualand real vision.It helps a lot to medical research.The applications of naked-eye 3D display technology inthree major aspects of medical diagnosis,clinical surgery and rehabilitation training is reviewed in thestudy.It provides the direction for the subsequent research in medical field,thus assisting medicalresearch and improving medical practice.Key words naked-eye 3D,3D display,medical applications者】张云梦1，刘胜林12，冯庆敏12，黄丽娜1，张强121华中科技大学同济医学院附属协和医院生物医学工程研究室，武汉市，430 0 2 22医学检验与主动健康智能装备湖北省工程研究中心，武汉市，430 0 2 2要】裸眼三维显示技术有良好的三维视觉效果且无需可穿戴设备辅助，能呈现三维医学图像的深度、位置及复杂结构等信息，可使观看者多角度获得组织器官的信息，减少认知负荷，有助于医学教学并开辟了规划和诊断的创新方法。裸眼三维增强现实显示能将医学图像显示在真实三维空间中，实现虚实融合，对医学研究有很大助力。该文综述了裸眼三维显示技术在医学诊断、临床手术和康复训练三大方面的应用研究，为裸眼三维显示技术在医学领域的后续研发提供方向，从而辅助医学研究，改善医疗实践。doi:10.3969/j.issn.1671-7104.2300020引信随着医疗技术的发展，现代医疗体系越来越需要将医学图像高精度三维可视化。传统显示方法将医学图像显示于二维电子显示设备上，病灶信息视角单一，缺乏空间显示效果、深度信息等。三维（3D）显示能提供丰富的立体深度信息和病灶组织结构信息，医学图像的三维可视化可提高手术治疗的精确性。收稿日期：2 0 2 3-0 1-0 1基金项目：湖北省重点研发计划“基于裸眼全息的血管介人手术导航系统开发与应用研究”（2 0 2 2 BCA025）作者简介：张云梦，E-mail:通信作者：张强，E-mail:3D显示采用光学、计算机等技术，将空间物体以三维信息再现出来，呈现出具有纵深度和立体感的图像，裸眼3D可人眼直接观看具有空间深度信息的逼真立体影像，提供内部器官的位置和深度等信息，有助于心脏、肝脏等器官病变的检测。2021年全球三维显示器市场规模达到8 30 亿美元，公布专利16 5项，在裸眼三维电视、教育医疗等行业应用广泛3。Leia、L i g h t Sp a c e 等公司在三维显示器方面有广泛研究，RealView、VO XO N等公司致力于裸眼三维显示技术在医学领域的研究。我国近五年裸眼三维行业投资增速约5%，医疗行业投资占比9.9%。“十三五”规划表明裸眼三维显38Chinese Journal of Medical Instrumentation2024年48 卷第1期中国医疗器械朵志综合评述示是重要的创新基础与技术竞争高地。在医学领域，裸眼三维显示技术引人增强现实（augmentedreality，A R)，使观察者直观准确地判断医学解剖结构的三维形态、具体位置及结构，广泛用于医学诊断、临床手术及医学康复训练5-。1三维显示技术原理及分类人眼看物体时，物体的光信息从不同角度进入人眼形成内容有差异的左右视图，经大脑合成处理产生三维立体感知。三维立体感知的获得主要有2 个途径：一是通过双目视差感知物理深度信息；二是利用深度线索，如透视、遮挡等进一步加深三维感知。三维显示技术可以分为助视式三维显示和裸眼三维显示。助视式三维显示借助特定的辅助设备来观看立体影像，利用双眼视图内容的差异来提供三维感受，有很强的立体感，但会引起视疲劳，且用户受设备约束，视角受限。裸眼三维显示可以分为多视图三维显示、体三维显示和全息三维显示，三者均可裸眼呈现具有深度感的三维场景，可在不同视角下观看，被认为是“真三维显示”9。1.1多视图三维显示多视图显示将观察空间分成有限数量的水平窗口，每个窗口有一幅图像，观察者每只眼晴均看见一幅不同的图像，图像随头部移动而变化，即利用少量视图呈现立体视差和水平视差，并近似连续光场函数，从而呈现立体三维显示的效果0，其基本原理是光场显示。当其与头部跟踪技术结合时，观察者自由移动其头部，仍可感受到三维图像。多视图三维支持多用户观看，但计算量大，图像易错位。1.2体三维显示体三维显示技术通过空间发光物点（体像素）来构建三维目标，利用视觉暂留来实现三维显示，可分为静态体三维和动态体三维。静态体三维通过高强度脉冲光源照射特殊介质，激发介质释放光线，介质中被照射部位看作新的光源，不同位置的发光点提供三维立体信息，使观看者可看到具有三维效果的立体图像12 ，动态体三维通过动态扫描的方式点亮特定位置上的体像素，以更新显示内容，依靠视觉暂留实现图像的三维显示。体三维显示能提供物体的空间深度信息，并呈现逼真细腻的三维场景，但精度要求很高，且无法体现空间遮挡关系，难以大尺寸显示。1.3全息三维显示全息三维显示主要分为记录和重建2 个过程39（见图1）【13。记录时，物光与参考光在记录介质上产生千涉，存储物体波前信息；重建显示时，利用光的衍射恢复物体波前信息。根据记录与重建时的技术条件，全息三维显示可分为光学全息、计算全息和数字全息。传统光学全息是在真实空间中利用物光波和参考光发生干涉产生的；计算全息是借助计算机模拟光的波前分布生成全息图的；数字全息是利用数字化手段重建物体全息图所包含的三维图像的过程。静态全息技术相对成熟，动态全息技术仍处于初级研究阶段。物体虚像物光参考光记录介质记录：光的干涉图1全息三维显示原理Fig.1Principleof Holographic3Ddisplay1.4裸眼三维增强现实显示的产品应用裸眼三维显示技术的飞速发展推动了AR产品的发展进步，裸眼三维-AR显示技术最初仅用于显示三维场景，对深度、精度要求较低，目前开始用于各种研究。RATHINAVEL等14提出的裸眼三维显示系统基于体三维显示，通过半透半反镜实现虚实融合，扩展了成像深度，但会弯曲物体形状。LEE等15提出的三维显示系统，利用挡风玻璃和反射镜实现真实场景与虚拟场景的融合，结合人眼追踪系统，实现了高分辨三维显示效果，相对于RATHINAVEL的研究能更好地应用于现实场景，提升观看体验，但应用场景单一，观看视角受限。CHEN等提出一种用于医学教育培训的裸眼三维-AR显示与交互系统，系统利用微透镜阵列重建虚拟模型的光场，可提供高图像质量的三维显示，但图像深度及观看视角有限。LI等17 利用镜面针孔阵列代替传统集成成像透镜阵列实现虚拟物体的记录与再现，真实物体靠镜像来达到虚实融合效果，易于大尺寸显示，观看视角大，但重建三维图像的亮度低，亮度与针孔数量及孔径大小密切相关。为解决亮度问题，LI等18 利用吸收偏振器、透镜阵列等实现了虚拟物体的无光损失高质量成像，可应用于车载显示和口腔医学。中山大学研究的基于指向光源技术路线的新型裸眼三维显示技术与人脸跟踪技术结合，能实时采集并追踪人眼的位置，在观看时计算机接收并分析双目摄像头采集的图像，利用双目视差呈现立体显示效果，实像再现光记录介质再现：光的衍射Chinese Journal of Medical Instrumentation2024年48 卷第1期中国医疗器械朵志综合评述解决了背光组合延迟的闪烁问题，但系统延迟会有一定视疲劳19-2 0。RealView公司的Holoscope采用基于干涉的全息技术，将系统配置悬挂于医生上方，按物体实际大小近距离显示相关器官的三维图像，无需任何头戴式设备便可实现裸眼观看且不会引起疲劳、眩晕，该系统可应用于临床心脏病学研究2 1-2 。但物体悬浮于空中，易发生手眼不协调，因此该公司正在研发能原位融合的系统。KANG等2 3 研发了一种裸眼三维立体显示系统，促进复杂三维解结构的快速三维可视化，分辨率较高，但显示质量取决于眼动仪的精度，且易受医疗检查室环境的影响。裸眼三维增强现实显示技术将裸眼三维显示技术与AR显示技术结合，实现虚拟场景与真实场景的三维融合，便于理解具有复杂信息的场景，尽管实现裸眼三维-AR显示具有一定挑战性，但仍有研究表明其在医学领域应用效果显著，能为医学研究带来新的机遇。2花裸眼三维显示技术的医学应用三维医学图像含信息量大，可用于研究血管、神经等复杂结构的图像，有助于进行诊断和规划手术路径，也适用于医疗培训、远程治疗及人体复杂三维结构的测量（见图2）2 4。医学诊断3D医学图3D医学图像获取像处理图2 三维显示技术在医学应用中的步骤Fig.2Steps of 3D display technology inmedical applications2.1医学诊断可裸眼观看的三维医学图像具有更多深度信息，无需额外旋转模型就可识别图像中的特征，适用于眼科及骨科等对结构细节要求较高的医学诊断。三维图像便于从视觉上分离组织层，有助于识别视网膜增厚、脱离或血管增生，可用于诊断眼底疾病，视网膜病变检测的特异性和敏感性高于一般观测手段，三维可视化有助于观测眼底细微组织层和形状特征，可用于诊断青光眼2 5。此外，三维显示技术可用于视功能筛查2 6 及变形视测量2 7 ，裸眼三维显示技术可实现无遮盖筛查视力、色盲、立体视觉及双眼平衡，减少传统视力筛查的遮罩浪费，且能进行无接触、安全筛查，提高筛查效率。在眼科诊断中，因眼底图像的三维可视化可提供有效的医学信息供医生研判，但诊断准确率与三维显示的精度和分辨率息息相关2 8 。在骨科成像方面，图像的40三维可视化能清晰呈现脊柱组织与周围结构，帮助识别复杂脊柱压缩性骨折及部分粉碎性骨折2 9。有研究30 提出利用全息投影技术重建显示肿瘤三维视图，可视化肿瘤并突出肿瘤区域，辅助诊断以及改进治疗计划。裸眼医学图像显示平台HoloMedX能将医学三维数据转换为详细的交互式重建影像，便于多用户同时裸眼观看，有助于疾病诊断与医患信息交流（见图3）。裸眼三维显示技术还可用于肺部CT数据的三维显示，以观察肺炎患者的肺部病变3。上述研究为裸眼三维显示技术在医学诊断上的临床应用，但由于其分辨率较低，对于清晰识别复杂病况仍有难度，应用于该领域的三维显示器应着重于提高清晰度、深度和准确度以此提高诊断准确率。(a)HoloMed X显示效果32(b)Holoscope-I 显示效果3(a)Display rendering of HoloMed X132(b)Display rendering of Holoscope-2a图3三维显示技术在医学诊断中的应用效果Fig.3Application effect of 3Ddisplay technology in medical diagnosis2.2临床手术裸眼三维在真实空间中创建高质量医学图像，辅3D医学数3D显示和据格式交互助医生识别病理情况，寻找最佳手术路径及复杂手临床手术术的术前规划，辅助外科医生实施临床手术。康复训练JAVIDI等34 提出了基于集成成像的自动立体图像叠加技术，集成于手术导航系统中，使用三维图像原位叠加来为手术医生提供直观导航（见图4）。该系统实时重建和染医学图像中的感兴趣区域，外科医生通过观察窗观察，真实的三维图像覆盖于原位的解剖结构上，再现运动视差实时将信息反馈给医生，可用于辅助微创手术、口腔颌面外科及膝关节手术，提高手术成功率35-3。3D医学集成成像处理与显示HPC集成成像生成和显示图像分析和3D/4D医学图处理像显示医学图像获取图4医学三维整体成像显示和智能AR手术导航系统34Fig.4Medical三维integral imagingdisplay and intelligentARsurgical navigation system134美国HoloSurgical手术导航系统利用半透明镀实时3D图像原位叠加和AR导航3D图像AR叠加系统Chinese Journal of Medical Instrumentation2024年48 卷第1期中国医疗器械朵志综合评述银镜片37 来达到增强现实显示效果，让医生看到虚拟的器官三维信息，进行手术指导。此种三维-AR显示采用半透半反镜作为虚实融合屏幕，系统整体较为笨重，显示纵深与可视角度相关联，整体改善有较大难度，而引入透镜也会存在像差问题38 。宁伟晨等39 提出一种无透镜式三维彩色全息投影系统，使用者可全方位看到真实维度的立体空间影像，直观真实地再现椎体、肿瘤及其周围血管的关系，进而制订周密的手术计划及风险预案。AUO公司将裸眼三维显示器与眼动追踪系统相结合，有效提升了三维视野和画质，可应用于手术场景，医生在手术过程中可以从不同角度观看清晰的三维图像，而无需佩戴三维眼镜，从而快速确定器官和组织的相对位置和深度40 ，但并未实现虚实融合，存在手眼不协调问题。患者图像的三维显示还可以辅助术中穿刺，结合全息三维显示技术将脑出血血肿模型与患者颅内真实血肿配准，辅助进行脑出血微创定向穿刺手术(。KANAJI等14在高清技术支持下，使用腹腔镜进行了胃癌切除术，三维显示下的手术效果明显好于二维显示。文献43 和44 介绍了裸眼三维显示技术在胸腔镜手术中的应用，利用透镜技术显示三维立体效果，显示亮度高，使用跟踪技术扩大观看区域，更精准高效，但该系统存在一定局限性，暂不允许多人同时观看，操作者之外的医务人员不便操作。Holoscope-I系统有望实现基于真正全息技术的裸眼三维显示，并能与患者进行原位的图像融合以辅助实时临床手术，并能与临床解剖结构进行交互，该系统已取得美国食品与药品监督管理局（Food andDrug Administration，FD A）证明45。裸眼三维中的全息三维显示技术还可用于远程医疗，进行远程会诊，亦有很大使用价值。Google公司的全息视频聊天技术，能提供三维深度感，良好的景深和大视野46 。这项技术将有助于医学领域的远程会诊，高质量三维可视化患者的医学影像，让医生能准确直观地获得信息并给出合适的治疗策略。临床手术方面裸眼三维显示的应用场景如图5所示。在临床手术领域，三维显示技术的应用能给临床手术的术前规划、术中导航和术中穿刺等带来很大帮助，但目前应用并不成熟，仍需进一步研究。三维显示技术在临床手术领域无其他装备负担，应该向更高清晰度、高实时性、大视角以及高配准精度的方向发展，并支持医生手眼协同及多人协同。2.3康复训练传统运动功能康复训练多是让患者借助制作的训练物件进行训练，方式单调，患者的依从性和配合度低。虚拟现实技术的发展让人机交互、沉浸感强及逼真度高的VR技术训练用于康复训练，但因手的功能活动具有高度复杂性，VR在恢复手功能方面的临床效果一般，多用于改善上肢功能及日常活动149-50。研究表明裸眼三维显示技术可在三维空间中最大限度地还原真实场景，为患者提供深度视觉训练，此外还可以提高空间定位能力，促进运动功能的康复，且无需佩戴可穿戴设备，减少不适感，降低训练负担并提高患者的依从性和配合度51，将裸眼三维与增强现实相结合实现训练功能的沉浸式可视化，可用于受伤工人的肢体功能康复训练52 。文献53 中的裸眼VR康复系统（见图6）可提供三维感知图像并捕捉手和手指运动，与虚拟环境交互，辅助手部精细运动的康复，但研究样本较少。裸眼三维可进行视觉功能调节的训练，有助于改善近视患者的双眼调节功能54，在弱视及视力的改善方面，目前较多的研究仍是基于HoloLens等头戴眼镜，易产生眩晕及视疲劳，因此裸眼会有更好的应用前景。此外，还可通过虚拟场景反馈信息，刺激患者认知及运动功能，帮助治疗因帕金森病、脑卒中引起的僵硬、运动迟缓等5，但目前仍在实验阶段。在康复训练领域，裸眼三维的发展重点是提高三维显示图像的逼真感及动作训练交互的实时性。LCD屏观看者透镜阵列青光2amm(a)HoloSurgical系统的半透明式屏幕47(a)Translucent screen ofHoloSurgical systeml47图5临床手术方面裸眼三维显示的应用场景Fig.5Application scenarios of naked-eye 3D in clinical field3D显惠者虚拟图像(b)裸眼3D与增强现实相结合48(b)Combination of naked-eye3D andaugmented reality(48)一宗屏CPU体感控制器支托物手Fig.6Naked-eyeVRrehabilitation system41+X图6 裸眼VR康复系统体感控制器Chinese Journal of Medical Instrumentation2024年48 卷第1期中国医疗器械杂志综合评述裸眼三维显示技术在医学领域中的应用十分广泛，除上述应用之外，医学图像的三维可视化可辅助医患沟通；将医学数据三维可视化，能更好地呈现解剖结构的深度和空间位置关系，降低学生的认知负显示技术缺点分辨率与视图数量有关，多视图三维显示深度线索多，三维效果好计算量较大体三维显示视场角大，可多人观看全部深度线索，分辨率高，计算量大，成本高，暂难车全息三维显示视场角大，三维效果优秀以产业化3总结与展望裸眼三维显示技术在医学领域有着很大的价值，它降低了医学教育学习的认知负荷，有助于远程医疗、医生会诊及转诊，更清楚地呈现疾病状况。其能更好地规划心脏结构性心脏病的介入过程，医生可在三维图像中操作心脏结构，帮助了解心脏及病变位置的相关空间信息。其在骨科、眼科和整形外科等手术中有良好的应用，有助于理解解剖结构和血管等复杂结构，正朝着改善医患交流、辅助术中导航与穿刺定位等方向发展。此外，与其他传统的显示技术相比，这项技术是一种更好的医疗教学工具。图像三维可视化在医学领域需求较大，但目前国内医学界多用HoloLens进行临床手术研究，裸眼三维显示仅清华大学团队医学研究较多。在三维显示上，因技术局限，但又追求高质量三维显示，国内外研究多致力于真三维显示技术，其中光场三维显示效果良好且能满足大部分应用要求，集成成像及多视图三维显示为目前行业关注点。解决空间分辨率、视场角、密集视点间的相互制约问题是裸眼三维真正临床化的重点，未来将向高质量、高性能、智能可交互以及轻量级的裸眼三维显示技术发展。参考文献1 HALEEM A,JAVAID M,VAISHYA R.Holographyapplications for orthopaedicsJ.Indian J Radiol Imaging,2019,29(4):477-479.2 GOO H W,PARK S J,YOO S J.Advanced medical useof three-dimensional 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