文/ 韩东成  安徽省东超科技有限公司 

     刘建平  树兰医疗管理有限公司 

受新冠肺炎疫情影响，人们对医疗体系和就医环境提出了更高的要求。研究表明，飞沫传播和接触传播在COVID-19传播中起着最重要的作用，因此迫切需要解决因用户操作设备导致的接触感染问题。目前的医用公共设施和医疗设备大多为接触式操作，如医用电梯按钮、自助服务终端、门禁电梯等每天会有数以千计的患者及家属触摸使用。虽然这些设施会进行定期的消毒处理，但因人数众多且操作频繁，依然存在很高的接触传染风险。

为了提高疫情防控能力，提升医疗服务质量，“无接触式”终端设备应运而生。当下应用于无接触式终端设备上的技术，如智能语音技术^[1]、手势交互技术^[2]、眼球追踪技术^[3]等，在一定程度上可以避免接触操作，但是依然存在着一些弊端，比如：智能语音技术受环境影响大，无法在声音嘈杂的环境中使用，且在公共场所需要输入密码或个人信息时，容易泄露个人隐私；手势交互技术对交互物体点云进行提取处理时，需要耗费大量时间，响应速度慢且精度较低；眼球追踪技术尚不成熟，无法区分命令是否具有意义，影响精准操作，而且用户在长期使用中，注意力高度集中会造成眼部疲劳。因此，迫切需要一种抗干扰性强、交互精准度高、反馈实时、高效安全的技术来支持无接触式终端设备，助力疫情防控。

随着新材料、新工艺技术的发展，新型显示产业持续保持高速增长态势^[4]，加速了空中成像技术的不断革新，实现了从有介质成像到无介质成像质的飞跃。本文提出了一种基于可交互空中成像技术的““无接触””交互方案，并探究了其在医疗行业中的应用。

搭载此项技术的无接触式终端设备可将操作界面在空中以实像形式呈现，无需借助任何介质。同时实现用户与空中影像的实时交互，尽可能切断人与病原体的传播途径，有效地规避设备表面细菌、病毒带来的交叉感染。此外，对于显示画面进行点对点的交互方式符合用户的操作习惯，降低了操作者的学习成本。光学式的无接触操作也没有指纹和声纹信息泄露，减少隐私泄露的风险。因此，该技术可应用在任何具有操作界面的传统设备和仪器上，适合多种使用环境，具有很高的实用价值和广泛的应用前景。

（视频来源：安徽省东超科技有限公司）

可交互空中成像主要包括基于负折射平板透镜的空中成像技术和光学非接触式三维深度测量感知技术，利用前者可以使显示屏上的图像信息直接投射在空气中，利用后者可以搭建终端界面手势交互系统，直接对空中影像进行无接触式交互操作，实现空中可交互式成像^[5]。

现有的空中成像技术主要有水雾投影^[6]、佩珀尔幻象^[7]等，这些技术虽然可以呈现图像浮空的效果，但存在屏幕依赖、错觉虚像、无穿透性、无交互性等痛点，而真正的全息技术尚不成熟，无法进行动态显示，限制了其在医疗行业的应用。

新一代空中成像技术利用光场成像原理，可以将像源发出的光线重新汇聚到空中，形成人眼可见的实像。此过程需要特殊的光学成像元件，主要有凸透镜、微透镜阵列（Micro-lens Array ，MLA）、狭缝镜阵列（Slit-mirror Array ，SMA）、二面角反射镜阵列（Dihedral-corner-reflector Array ，DCRA）等。

受到成像尺寸、工艺成熟度、成本以及成像质量的影响，目前市场上用于空中成像的主流光学元件是以SMA为核心光波导的负折射平板透镜（DCT-plate）。如图1所示，其在成像效果上具有宽画幅、大视角、高解像、无畸变和无色散的优点，可根据显示尺寸任意拼接使用，结合常规显示面板作为像源，实现无介质的高清成像。

图1 DCT-plate成像原理图

负折射是指光束在材料界面处的折射方向与正常折射方向相反的一种光学现象，即折射光线和入射光线位于法线同侧。目前已经证明，具有负折射率性质的材料只有人工结构的材料。负折射平板透镜由一种基于光波导阵列的特殊精密微观结构组成，利用周期性的平面反射镜面来进行光线的调制，可实现类似于负折射率材料的光学特性。

通过将两层周期性的平面镜组垂直相交，利用直角反射面二维逆反原理，如图2所示，使得第一次反射时的入射角和第二次反射时的出射角相同。在光源光线发散角内的所有光线在经过平板透镜后会相应的收敛到光源以平板切面为轴的轴对称位置，从而得到一个1:1 的实像。由于波导层交界面反射特性为镜面反射或全反射，其对各波长反射无选择特性，具有很高的色彩还原性。 

图2 负折射平板透镜中光线传播示意图

为实现对可见光区进行对称光束聚焦，平板透镜中的光波导阵列，如图3所示，将不等长度的条形光波导沿45°方向排布，并将各个条形光波导相互粘接，其中各条形光波导相邻的粘接面均镀有反射膜。通过两组相同的单排多列单元光波导阵列相互正交设置，发散的光线在两层正交的波导内发生偶次内反射，从而实现其对二维发散光束的聚焦，产生负折射效应^[8]。由于没有焦距的概念，因此成像距离可以灵活控制，且可以根据成像尺寸自由拼接，实现从小屏到大屏的全覆盖。

图3 负折射平板透镜的结构原理图

为了实现人与空中实像的实时交互，本文提出了一种光学非接触式三维深度测量感知技术，集成基于飞行时间的红外激光传感器，如图4所示，红外传感器发射出的不可见红外光场覆盖空中实像区域，当用户触碰空中实像确定位置时，传感器接收到被遮挡后产生的漫反射光迅速做出反应，可达到毫秒级的响应速度。此方式可以精确地检测用户对空中实像的操作，通过终端主机收发控制信号，将操作者点击位置映射为终端交互界面，构建了终端界面手势交互方案，直接于空中影像进行点击、拖拽等非接触式交互操作，优化用户操作体验，实现了无接触、更高效、更稳定的空中影像交互。

图4 空中交互式成像示意图

自2019年底爆发新型冠状病毒（COVID-19）以来，已造成全球200多个国家数百万人死亡，成为全球最为紧迫的公共卫生安全事件^[9]。目前国内疫情已经得到明显控制，但是随着国外输入病例的增长，使得国内疫情防控形势仍然充满挑战。此外，德尔塔和奥密克戎等变异毒株的出现，严重提高了感染风险，随时都有可能再次爆发，全球进入后疫情时代^[10]。

新型冠状病毒的传播途径一般包括飞沫传播、密切接触传播和在密闭空间中的气溶胶传播^[11]。针对飞沫和气溶胶传播，只要戴好口罩就可以很大程度避免感染，针对密切接触传播，可以进行隔离措施加以防护，但是由接触传播发展而来的“物传人”现象难以防护，病毒携带者接触到公共设施，比如电梯按钮、自助挂号机等，就有很大可能成为传染源，正常人在不知情的情况下一旦触摸到，就会存在被感染的风险，尤其是在医院、药店等作为可能存在传染源又有大量易感人群的公众场所，做好疾病传染防范尤为重要。

为控制疫情的蔓延，重点针对“物传人”和院感问题，各类结合5G、人工智能、机器人、大数据等技术成果的新型“无接触式”医疗措施及设备被提出，比如，无接触医疗采血^[12]、无接触就诊^[13]、无接触测温仪^[14]、无接触病案复印^[15]、无接触卫生间^[16]等等，这些“无接触式”措施旨在阻断细菌、病毒等病原体与人体的接触，在疫情防控中发挥了重要作用。

然而，当前医疗机构中大量带有实体按键和显示屏幕的触控式终端设备，比如自助挂号机、导航导诊系统、收费窗口密码器、电子签名等，依然难以实现方便、快捷、安全的无接触操作。在这方面，可交互空中成像技术给出了满意的答案。2020 年1月，在新冠肺炎疫情肆虐之际，中国科学技术大学附属第一医院首次引进2台基于可交互空中成像技术的无接触医疗自助机，并在一楼大厅门诊和发热门诊处投入使用，有效缓解患者及家属的恐慌心理，对疫情传播起到良好的阻断作用。此后，全国多家医疗机构相继引入基于可交互空中成像技术的无接触医疗和公共设备，取得了较好的效果，为疫情防控做出了重要贡献。

基于可交互空中成像技术的医疗设备和公共设施，凭借在空中实现人机交互的技术优势，能够尽可能的阻断病毒传播途径，并且基本不改变用户的操作习惯，因此可用于任何具有触控面板的设备上，具有很大的普适性，在卫生安全和便捷操作两个重要环节发挥强有力的作用。目前，此项技术在医疗行业致力打造无接触智慧门诊系统、无接触智慧病房系统、无接触智慧手术室系统、无接触公共服务系统等，提供零交叉感染的安全使用环境，减轻医务工作者的接触感染风险，构建患者的无接触就医环境，有效提升患者就医体验。

医院门诊大厅人流密度最大，发生接触感染的风险较高，尤其是在医患接触频率较多的地方，比如电梯按钮、门禁按钮、叫号按钮、自助挂号机、收费窗口签字笔等，无接触智慧门诊系统可以将上述这些易接触的按钮和设备操作转移到空中，在空气中进行无接触操作，可有效解决门诊接触感染的问题。空中实像可视角的限制可有效防止患者隐私泄露，无接触的操作方式也降低了信息安全风险。包括：无接触银医系统、无接触报告打印系统、无接触分诊叫号系统，无接触智慧导诊系统等。

图5 无接触智慧门诊系统

住院病房为患者提供日常起居，医护人员难免会与患者接触，无接触智慧病房系统可以为患者带来以安全诊疗为特点的，智能化和个性化相统一的医疗服务，包括智慧病房交互系统、智慧病房护理信息系统、智慧病房医生工作站、智慧病房智能输液监控系统等。可保证患者与医护人员间的安全沟通，提高医院管理水平及医护工作效率。

图6 无接触智慧病房系统

手术室是医院发生病毒感染的高风险区域之一，特别是呼吸内科、感染科、眼科等科室，患者在进行手术治疗过程的中，医生难免会有职业暴露，极易被病毒所感染，然后再通过手术综合控制面板，极易与其他医护人员发生交叉感染^[17]，无接触智慧手术室系统将手术室相关设备无接触综合控制面板、无接触行为管理系统、无接触数字化手术室控制系统等采用空中成像技术，避免手术过程中因接触导致感染。

图7 无接触智慧手术室系统

医院中的一些公共设施，比如电梯、门禁等按钮每日都会受到医护人员和患者的触碰，这将大大提高感染的风险，无接触公共服务系统通过可交互空中成像技术，建立起一个零交叉、零感染、零接触、更安全方便的公共就医环境。包括：无接触电梯内外呼、手术室无接触门禁系统、感染无接触门禁系统等。

图8 无接触公共服务系统

目前，可交互空中成像技术已得到国家和政府的大力支持，2021年9月29日，安徽省第十三届人民代表大会常务委员会第二十九次会议通过了《安徽省绿色建筑发展条例》，无接触空中交互技术被正式列入该条例第四章“技术推广应用”中，获支持在全省推广应用。

可交互空中成像技术填补了国内在新型显示领域的空白，克服多项“卡脖子”问题，目前处于世界领先水平。从需求侧看，全球对非接触式服务及装备制造有着巨大的潜在需求；从供给侧看，信息技术、机械控制技术、材料科学正在快速进步，满足需求的能力越来越强。空中成像、可交互两大特性极富有创造性和科技感，未来在航空航天、车载显示、医疗服务、智能家电、公共设施等领域具有广阔的发展前景。尤其是在新冠疫情频发的大背景下，加大可交互空中成像技术的产业化应用，可助力提升医疗服务质量和服务水平，促进医疗行业更安全、更高效发展。