虚拟现实手术规划中基于深度缓冲的多体积渲染技术创新与应用

这篇综述创新性地提出了一种基于深度缓冲（depth buffer）的多体积渲染方法，用于虚拟现实（VR）手术规划系统。通过动态分割体积数据并利用深度信息处理遮挡关系，实现了20+独立体积的实时交互（90帧/秒），解决了传统射线步进（ray marching）渲染在多体积场景中的性能瓶颈，为脊柱融合术、动脉瘤夹闭等复杂手术提供了高保真、可动态编辑的视觉化方案。

　　

Abstract
虚拟现实（VR）手术规划系统通过直观的体积数据交互，显著提升了复杂手术的深度感知和操作精度。传统基于网格（mesh）的渲染需依赖预处理分割，而直接体积渲染（DVR）虽能保留原始数据细节，却难以支持多体积交叉场景的实时渲染。研究团队开发的新型多体积渲染器，通过动态分割和深度缓冲技术，实现了临床级性能与视觉质量的平衡。

Methods
方法核心在于三步创新：

1. 动态分割：使用运动追踪控制器对体积数据执行粗略分割（ad hoc segmentation），生成最多255个子体积（8位掩码），无需精确表面定义。
2. 深度缓冲同步：在射线步进（ray marching）过程中，将早期射线终止（early ray termination）的深度值写入深度纹理，后续渲染时通过深度测试确保体积间正确遮挡。
3. 屏幕空间优化：仅对体积投影边界内的像素执行计算着色器（compute shader）调度，减少无效渲染。

实验采用Unity引擎扩展实现，支持空域跳跃（empty space skipping）和注视点渲染（foveated rendering）等加速技术。如图3所示，脊椎场景中相邻椎体的关节面通过深度缓冲实现物理准确的遮挡，而图2展示的粗糙分割仍能生成高质量可视化效果。

Results
性能测试基于三组临床数据集：

• 脊柱侧弯：分割20块椎骨（C6-L5）后，多体积渲染帧率仅下降71%，仍保持90Hz以上（RTX 4080显卡）。
• 动脉瘤：单次颅骨开窗分割仅造成4%性能损耗。
• 颧骨骨折：5块骨碎片提取后帧率降低25%。

动态光照条件下（图4），阴影贴图（shadow map）的额外深度通道计算会引发约15%性能波动，但仍在VR舒适阈值内。表1数据显示，所有测试场景平均帧率均超过110Hz，满足临床实时交互需求。

Discussion and conclusions
与传统方法对比（表2），该技术具有显著优势：

1. 灵活性：粗糙分割即可支持骨块移动，避免网格重建的精度依赖（图2左）。
2. 数据完整性：保留原始体积信息，支持术中实时切割模拟（如椎弓根螺钉植入规划）。
3. 性能可控性：多通道渲染的线性性能损耗优于单通道复杂分支方案。

局限性在于半透明体渲染支持不足，未来可通过层级深度缓冲（hierarchical depth buffer）或体积排序优化。研究证实，深度缓冲驱动的多体积渲染为VR手术规划提供了兼具临床实用性与技术可行性的解决方案，尤其适用于脊柱矫形、骨折复位等需动态重组解剖结构的场景。