跟踪式增强现实显示器的实时自校准

摘要

目的：尽管已有研究提出将增强现实系统应用于图像引导下的穿刺介入治疗，但受限于便携性差、显示刷新率低以及校准流程繁琐等因素，此类系统尚未在临床实践中得到广泛应用。为此，我们提出了一种基于手持式平板电脑的自校准图像叠加系统。

方法：我们利用一台平板电脑和一面半透半反镜，构建了一个模块化的手持式增强现实观察盒。我们设计了一种无需借助任何临时标记物即可实现系统精确校准的、具有一致性和高精度的自校准方法。通过光学姿态追踪器，系统可同时追踪附着在观察盒及患者体表的标记物，从而实时反馈患者相对于显示图像平面的空间位置信息。该系统的软件部分基于开源应用平台 3D Slicer 的 SlicerIGT 扩展模块及 PLUS 工具包进行开发。

结果：在图像引导下的穿刺介入治疗场景中，该图像叠加系统的准确性测试结果显示：在图像叠加平面内，其平均绝对位置误差为 0.99 mm（第 95 百分位数为 1.93 mm）；在图像叠加平面外，其平均绝对位置误差为 0.61 mm（第 95 百分位数为 1.19 mm）。对于肌肉骨骼注射等各类临床操作中的器械引导而言，这一精度水平在临床上是可接受的。

结论：本研究针对一种具备追踪功能增强现实显示设备，开发并评估了一种自校准方法。研究结果表明，此类手持式图像叠加系统在涉及图像引导穿刺介入治疗的临床研究中，具有广阔的应用潜力。