虚拟现实技术在虚拟手术上的应用

摘 要：虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，作为一门新兴学科，其在医学领域的应用前景令人瞩目，现已在医学应用上具有十分重要的现实意义。本文首先简单介绍了虚拟现实技术的产生与发展，然后详述了虚拟现实技术在虚拟手术上的应用及其所用到的技术方法，最后总结了虚拟现实技术在虚拟手术上的发展，并对其今后的发展做出了展望。

关键词：虚拟现实；虚拟手术；数据可视化；碰撞检测技术；微创手术

虚拟现实（virtual reality，简称VR），又被称为视觉模拟（Visual Simulation）。它最初用于美国的军事作战模拟系统，80年代中期VR一词第一次被VPL Research公司的奠基人Jaron Lanior提出，该公司生产了头盔式三维显示装置和“数据手套”等一系列虚拟现实的关键辅助工具，通过这些工具将需要的信息传递给计算机[ 1 ][ 2 ]。直到20世纪90年代末这项技术才逐渐进入大众视线并在各行各业：军事，教育，工业，娱乐媒体等等得到进一步的发展，尤其促进和推动了医学事业的发展。

虚拟现实是一种多元信息融合的新型人机交互设备，人们可以通过人体的各种感知通道，例如视觉，听觉，触觉，甚至味觉，嗅觉和平衡感，超失重感，加速度感等物理反应来感知计算机模拟的虚拟世界。目前，虚拟现实技术已经广泛地应用于手术模拟、医学教学、心理治疗、远程医疗、辅助诊断、训练系统等方面。但是由于技术上的局限性，这些应用多是采用一种特殊结构的简化模型，或者是基于预处理原始图像的，并且有些仪器设备实用性并不是太好，所以目前為止还仍然没有一种VR系统能够完全用于具体的临床应用[ 3 ]。

本文将从四个方面来介绍虚拟现实技术在虚拟手术上的应用：虚拟手术中的技术、虚拟手术的应用、虚拟手术的发展及其前景展望。

1 虚拟手术中的技术

1.1 医学数据的可视化技术

医学体数据可视化是指利用计算机图形学和图像处理技术，通过人机交互将医学体数据在三维空间上生成人体组织内部的复杂结构的技术，从而使医生做出更加精确的诊断[ 4 ]。体数据的可视化基于绘制算法和分类算法，李潞在《三维医学数据体绘制的传输函数设计方法研究》中提出了基于动态的M-| Δf |统计直方图的传输函数设计，很好的减小了CT影像中的噪声干扰。

1.2 碰撞检测技术

碰撞检测和切割操作是虚拟手术仿真最核心最基本的问题。当一个医疗设备检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为至少有两个仪器同时在发送数据，表明产生了碰撞。在发生碰撞的时候，传输信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的设备，一旦发现产生了碰撞，就立即停止发送，以免浪费资源，等待一段时间后再次发送。检测是否有碰撞发生并且精确计算出碰撞发生的位置是虚拟环境中碰撞检测的具体实现。

2 虚拟手术的应用

2.1 微创手术

1987年法国医生Mouret偶然完成的第一例LC标志着新的医学里程碑的诞生。微创概念由此形成。微创的发展是基于整个医学模式的进步，是在“整体”治疗观带动下产生的。微创手术创伤小、疼痛轻、恢复快，住院时间短，出血量少的优越性实现了每个需要手术的病人的梦想。

随着科学技术的发展进步，“微创”监控系统从早期的内窥镜变成了采用介入的方式，如脊柱外科、胆道、骨科。20世纪90年代末研究出了导航系统这种新技术，在导航系统的辅助下，手术准确率大大提高，使患者的生命安全得以保障，减少了并发症及后遗症的出现。

目前，越来越多的传统手术已经获得了革命性的成功，包括胆囊切除术、前列腺切除术、阑尾切除术、子宫切除术、肾切除术、冠状动脉旁路移植术等。

3 虚拟手术的发展

随着科学技术的发展，最初的计算机辅助手术系统已经发展的比较成熟，由原来的导航、观摩形式，发展成为具有可操作、可交互的虚拟手术仿真系统。我国研究方向大多集中在三维仿真、三维绘制以及软组织模拟等。上海交通大学 Med-X 研究院着重进行了手术导航和虚拟手术系统的研发，并且在理论研究领域上积累了一定的成果与经验。中科院自主开发的MITK 类库（Medical Imaging Tool Kit），已经成为国内医学手术领域的优秀软件工具。

4 总结与展望

4.1 总结

本文围绕虚拟现实技术在虚拟手术上的应用这一主题，分别从虚拟手术中的技术，虚拟手术的应用，虚拟手术的发展及其未来展望四个方面进行了介绍，从而得出结论：在医疗手术的各个领域应用虚拟现实技术，可以节省大量的时间与资源，为救死扶伤事业提供了更完善，更安全的医疗服务体系。

4.2 展望

VR技术是多学科多领域互相交叉，渗透，融合的产物，其在虚拟手术上应用的终极目标是完善医学实践体系。未来可以利用虚拟现实技术的数据可视化技术模拟社区卫生服务网络，使社区卫生服务机构与城市医院协调发展，以此实现医疗资源配置的需要；再者，随着社会的不断发展，运用“互联网”思维，基于云计算、大数据等新兴信息技术，将互联网与传统医疗服务业结合起来，将虚拟手术推广发展到更多的临床手术中，节省人力物力，减少手术过程中的失误和意外。虚拟现实技术在虚拟手术及其他医学方面将会启着越来越重要的作用。

参考文献：

[1] 邹湘军，孙健，何汉武，等.虚拟现实技术的演变发展与展望[J].系统仿真学报，2004，16（9）：1905-1909.

[2] 郭燕舞，柯以锉，杨志林，等.虚拟影像术前计划系统在神经外科的临床应用研究[J].中华神经医学杂志，2005，4（12）：1222-1224.

[3] 左玲燕，杨鹏.虚拟现实技术在医学上的应用[J].医学信息：医学与计算机应用，2002（5），15（5）：260-261.

[4] 宋卫卫，李冠华，欧宗瑛.医学体数据三维可视化技术[J]计算机工程与应用，2006，18：20-26.

作者简介：张晓宇（1996-），女，山东济宁人，本科，研究方向：计算机科学与技术。