虚拟现实技术在微创外科手术学的应用

谢文，刘胜林，孔维佳，张佳华

华中科技大学同济医学院附属协和医院 生物医学工程教研室， 湖北 武汉430022

虚拟现实技术在微创外科手术学的应用

谢文，刘胜林，孔维佳，张佳华

华中科技大学同济医学院附属协和医院 生物医学工程教研室， 湖北 武汉430022

本文简要回顾了虚拟现实技术在医学领域的应用，指出在外科学进入到微创手术显微时代，虚拟现实技术的发展为外科手术的教学以及手术指引与评估提供了全新的模式，因此建立相应的手术虚拟现实模型以及外科学培训系统平台也越来越得到医学与工程学专家的共识。文中分别从如何构建虚拟手术系统的三维模型、系统的功能设计、耳显微外科的临床应用等几个方面进行相关阐述，并展望了虚拟手术系统的发展前景。

虚拟现实技术；微创外科手术；虚拟手术系统；临床教学

0 引言

虚拟现实技术是一种通过交互式计算机模拟真实世界的人机界面技术。在医学领域，虚拟现实技术与现代外科手术学结合产生了虚拟手术系统，为外科手术的教学以及手术指引与评估提供了全新的模式，正逐步显示了它的巨大潜力和实用前景。虚拟手术系统集计算机技术、传感器技术、生物力学、现代医学、图像处理、虚拟可视化以及生物医学工程技术于一体，为医生提供一个模拟真实手术操作过程中可能遇到的各种现象的虚拟现实系统。虚拟手术系统的研究和开发为医生提供了可反复使用的训练和教学工具[1]，可以应用于手术前规划与演练、手术中的导航以提高手术成功率以及与网络技术结合进行远程手术等。

虚拟现实的终极目标就是真实的体验和自然方便的人机交互。虚拟现实就是要利用各种先进的硬件技术及软件工具，设计出合理的硬件、软件及交互手段，使参与者能交互地观察和操纵系统生成的虚拟世界。

近二十年，计算机信息技术和数字影像技术与传统医学的融合，不断推动着外科手术向微创化发展，各种新技术的出现已使外科学的发展进入了一个新的微创外科时代。大多数微创外科手术是经过监视器或显微镜间接观察手术视野，而在这种视觉下的操作极大地影响了术者的立体深感觉与触觉力反馈，增加了手眼协调性的难度，因此微创手术对外科医生的手术技能提出了新的要求，如在监视器或显微镜下进行手术要求更高的眼手协调性、手术器械操作熟练性以及对手术解剖部位的空间辨识力[2]等。目前，很多国家的科研单位对虚拟手术系统进行研究，它不仅有着重要的理论意义，而且有着广泛的应用前景，已有相关研究表明，外科学进入到微创手术显微时代，虚拟现实技术已被证实为一种培训年轻医生手术技能的有效方法，一个完整的虚拟手术系统能够实时显示逼真手术场景，具有手术操作过程中反馈力的感觉，以及碰撞检测和切割变形[3]的仿真等。

1 虚拟手术系统的三维模型构建

虚拟手术系统中，虚拟手术场景的研究主要是人体器官组织的三维建模，较早的研究是通过“虚拟人计划”所获得的人体三维数据来建立手术区域器官组织几何模型；随着医学成像技术的进步，将计算机断层扫描（CT）、核磁共振成像（MRI）等设备获取的病人影像信息进行三维重构[4]，直接生成适合虚拟手术系统的几何模型[9,10]。

医学图像三维重构一般分为人体医学图像的获取、等值线信息的抽取、简化等值线、拓扑重构、几何重构五个步骤。其中拓扑重构和几何重构是整个医学图像重构的关键。拓扑重构采用构造分类图来表示层间轮廓线的拓扑关系，是整个断层重构的基础。几何重构有面向曲面的重构和面向体的重构，曲面重构能快速绘制物体表面但却丢失了内部结构信息，体重构计算复杂而速度较慢，但能显示丰富的内部结构并能自然地进行平面剪切和立方切割。模拟人体器官组织不仅需要物体的外廓也需要知道模型内部的相应信息，因此，在虚拟手术系统中一般采用体重构。

在三维重建过程中首先是对手术解剖部位的图像分割，准确和快速的图像分割技术是虚拟建模的基础。现代医院临床上的高分辨率CT和MRI很多自带有三维重构的图像分析软件，但对一些组织器官的分割重建还不够精确，特别是大多数微创手术中的显微结构。我们在实际建模中，先采用CT和MRI自带的重构软件自动快速识别出手术解剖部位的大体位置和结构，再结合人工辨识微小结构与组织进行手工标明，然后采用阈值分割法绘制出细微解剖结构。

2 虚拟手术系统的功能设计

虚拟手术系统因其能逼真地演绎微创外科手术的环境和操作的过程，对手术训练和教学有很高的应用价值，年轻的医学生通过模拟系统掌握手术部位解剖结构、熟练使用各种器械、反复练习基本手术技能。

整个系统在功能设计上手术操作的模拟能够灵活调整以适合不同手术医生的要求，我们在设计虚拟手术系统时，不仅清晰重构了正常组织结构，而且建立了常见的各种病理组织模型与真实的手术病例，并指导使用者在虚拟环境中进行正确的处理，同时操作的过程将被系统记录下来，根据各项参数与专家标准库的数据对照进行评分，能够较客观地反映了训练者的操作水平。

由于手术操作是精细复杂的过程，对虚拟手术器械的操作模拟非常重要，使用带有传感器的设备模拟出操作手术器械的移动、旋转等相应动作。虚拟手术过程器械和组织之间的接触应根据虚拟对象的自身特性进行模拟，非刚性的组织器官碰撞到手术器械会发生表面形变，需要通过计算碰撞表面的位点改变重新绘制图形。

3 虚拟手术系统的应用

目前，虚拟现实技术已被证实为一种培训年轻医生手术技能的有效方法，因此建立相应的手术虚拟现实模型以及外科学培训系统平台也越来越得到医学与工程专家的共识。随着计算机技术的发展，模拟系统集成触觉力反馈装置的成本也越来越低，已经有越来越多的大学及教学医院开始应用虚拟手术系统进行对初学者的培训[7,8]。受训者在经过相应的课程学习和操作训练后，对培训项目的技术掌握，如灵巧度、操作速度、准确度上有着显著地提高，甚至对于一些有着临床经验的医生也有一定的帮助[5]。因为虚拟系统的使用者可以反复操作整个任务程序，全面的完成手术过程，处理真实手术过程中可能发生的常见紧急情况，从而得到与真实手术室环境下相类似的手术技能。

例如在临床上，耳鼻喉头颈外科医师需要对颞骨解剖有扎实的基础知识，由于外耳道骨部、中耳、内耳均位于颞骨之中，而颞骨深寓软组织之中，无法直接观察病变范围及其周围结构的关系[6]，因此基于虚拟现实技术的耳显微外科仿真系统研究对于培养年轻医师的手术操作技能，以及患者实际手术前的预测与术中的辅助都具有广阔的应用价值。基于耳外科学应用虚拟现实技术开发专门外科手术虚拟系统，不仅可以在逼真的虚拟环境下体验和学习手术中各种实际情况与处理操作，还可以通过网络通信进行计算机远程教学与手术会诊指导治疗，具有真正意义上的临床实用价值。

4 虚拟手术系统的未来发展

正是由于虚拟手术系统广阔的应用前景，虚拟现实技术在医学领域得到了更多的重视。未来虚拟手术系统除了进一步提高其仿真度、完善功能，还将会在临床上有更多的实际应用，如现在已有部分学者提出的对外科手术过程进行术前模拟并制定个体化的最佳手术策略。

未来虚拟现实技术将融入到数字化手术室，与众多的先进数字化技术一起为医生与患者带来更多安全和便捷。基于网络的虚拟现实技术将实现应用程序的远程共享，在虚拟现实的网络环境中，外科手术医生不仅可以进行各种专科手术的培训和练习，还可以实现相距很远的不同外科专家像在同一手术台上一样，共同完成一台复杂的手术。

[1] Satava RM. Surgical education and surgical simulation[J]. World J Surg,2001,25(3):1484-1489.适合对乳腺疾病的初诊。对致密型乳腺，CT乳腺增强扫描明显优于X线摄影，能提高恶性病变的检出率。科研人员移植了CT螺旋扫描和强大后处理功能包括多平面重建、表面重建、容积再现及最大密度投影等技术，罗彻斯特大学医学中心（URMC）的Ruola Ning教授等发明了锥形束乳腺CT（Cone Beam Breast Computed Tomography,CBBCT）。

锥形束乳腺CT使用的射线与传统乳腺X光机使用的射线能量一样，并使用FPD探测器，能获取乳腺癌三维图像，解决了不同组织的叠加问题。CBBCT鉴别肿块的能力比传统的乳房X光摄影好，基于平板探测器的乳腺锥束成像技术可获得高分辨率图像，能更好检测低对比度乳腺肿瘤，并可对乳腺病变更精确定位，还提高了对小的乳腺肿瘤的检测能力[13]。检查者俯卧在有洞的检查台上，刚好让乳腺悬吊在洞中。螺旋扫描仪围绕乳腺扫描约10s完成检查，获得300幅乳腺薄层组织图像，并重建乳腺的三维图像。研究显示，乳腺锥束成像技术取得重大进展，CBBCT在检查时间，舒适度和诊断的准确性方面比数字乳房断层合成（DBT）更优越，锥形束CT能彻底改变乳房的乳腺癌筛查[14]。2008年7月，加利佛尼亚大学戴维斯分校医学中心约翰·M·波尼博士也报告研制了锥形束乳腺CT,并预示说这项新技术可望在未来的3~4年内投入临床使用。

（未完下期连载）

[参考文献]

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[3] 张宁.全景数字乳腺X线摄影技术的最新进展[J].现代医学成像,2009,7(6):68-70.

[4] 王骏.谈谈乳房X线检查[J].中国医疗器械信息,2008,14(6):62-63.

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[6] S. Vinnicombe,S.M. Pinto Pereira,V.A. McCormack,et al.Full-Field Digital versus Screen-Film Mammography: Comparison within the UK Breast Screening Program and Systematic Review of Published Data[J]. Radiology,2009,251(7):347-358.

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Application of Virtual Reality Technology in Minimally Invasive Surgery

XIE Wen, LIU Sheng-lin, KONG Wei-jia, ZHANG Jia-hua
Department of Biomedical Engineering,Union Hospital Affiliated to Tongji Medical College, Huazhong Science and Technology University,Wuhan Hubei 430022,China

TP391.9；G642.44

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.07.029

1674-1633(2010)07-0076-02

2009-11-26

2010-02-25通讯作者：孔维佳，教授，博士生导师，耳鼻喉科主任，副院长。

作者邮箱：kevinxw@163.com

Abstract: In the medical field, virtual reality technology provides a new model for surgical training and surgical evaluation. At the same time,computer and digital technology is integrated more extensively into surgery and minimally invasive surgery (MIS) has led to a new era. It has been proven that virtual reality technology is an useful tool of surgical training for young doctors when surgery has entered into the minimally invasive surgery era. So more and more doctors and clinical engineering experts have reached the consensus on the development of virtual reality surgical simulation system. This paper discusses how to build the three-dimensional model and design a virtual surgery system. In the near future, the VR simulation can be applied in a real operative environment such as the rehearsal of operation procedures,real-time operation guidance and telesurgery.

Key words: virtual reality technology;minimally invasive surgery;virtual surgery system;clinical teaching