虚拟现实技术在神经外科研究生手术培训的应用

毛锦宁　刘国栋

【摘 要】虚拟现实技术（virtual reality，VR）是应用电脑技术模拟产生一个三维虚拟世界，通过对听觉、视觉、触觉等感觉器官的多重模拟，给操作者逼真的感受。近年来VR技术正在建筑装潢、航空航天、影视娱乐、军事培训等领域广泛应用。神经外科手术操作空间小、毗邻结构重要而学习周期长。缺乏经验的神经外科研究生在手术培训中只能进行浅表的手术操作或者观摩手术视频，导致神经外科研究生毕业后通过漫长临床实践才能成为熟练的医生。本文提出将VR技术和临床病例结合后建立颅脑手术模拟平台，让神经外科研究生在VR模拟的三维虚拟世界里自己完成手术，这种全新的教学模式可以使神经外科研究生更好的进行手术，更快的成长为熟练的神经外科医生。

【关键词】虚拟现实技术;神经外科;医学教育;研究生培养

中图分类号： G642;R651-4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）20-0221-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.102

虚拟现实技术（virtual reality，VR）是全息影像技术的一种，它基于电脑技术模拟产生一个三维的虚拟空间，通过对多重感觉器官的模拟，给操作者带来逼真的感受。VR技术具有浸润性、互动性、多感知性、想象性、自主性等特点。随着科学技术和社会生产力的不断进步，各行业对VR技术的需求逐渐扩大[1]。颅脑功能的重要性要求神经外科手术医生具有丰富的经验。由于颅脑对于人体的重要性，神经外科研究生在手术中只能进行一些简单的操作或者只能观看手术，导致神经外科研究生的成长周期长，而VR技术可以建立的三维虚拟手术模拟平台，研究生在电脑模拟的虚拟世界里自己动手完成手术，有利于缩短神经外科研究生的培养周期，造就更多优秀的神经外科手术人才[2]。

1 VR技术的概念

随着电脑软件硬件的进步，虚拟现实技术（virtual reality，VR）模拟产生一个三维虚拟世界，通过对听觉、视觉、触觉等多重感觉器官的模拟，给操作者带来逼真的体验。VR技术将计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境浸润感。

2 VR技术的主要特征

VR技术具有浸润性、互动性、多感知性、想象性等特征[1]。VR技术使得操作者在虚拟的空间里与外界事物产生互动，产生身在其中的感触。

这些特征使操作者能够进入一个由计算机生成的互动式三维虚拟世界中，并与之产生互动，进行交流。通过参与者与仿真环境的相动，借助操作者本身对所接触事物的感受和理解，启发操作者的思维，全方位获取VR环境所蕴含的各种空间信息和逻辑信息。

2.1 浸润性

浸润性是让操作者成为并感受自己是虚拟环境中的一部分，虚拟现实技术的浸润性取决于操作者的感知系统，当操作者感知到VR世界的刺激时，包括视觉、触觉、味觉、嗅觉、运动感知等，便会产生思想共鸣，产生心理浸润，有逼真的感触。

2.2 互动性

互动性是指操作者进入VR空间，相应的技术设备让操作者跟环境产生互动，当操作者进行某种操作时，周围的环境也会做出某种反应。如操作者接触到VR空间中的物体，那么操作者手上应该能够感受到物体的质量、质地等特征，若操作者对物体施加动作，物体的位置和形状速度等也发生相应改变。

2.3 多感知性

在目前的技术水平下，可以进行触觉、温度觉、视觉、重量、表面质地等特质进行充分的仿真。从而使得VR技术具有多种感觉器官感受的模拟，也就是多感知性。VR技术将来可能增加味觉、嗅觉等感知。

2.4 想象性

想象性也称构想性，想象可以理解为操作者进入VR空间，根据操作者的感觉与认知能力吸收知识，经过整合分析发散拓宽思维，想象出新的概念和环境，想象性可以拓宽认知范围，想象客观世界不存在的场景或不可能发生的意境。

3 VR技术在临床医学教育中的应用

目前，临床医学教育，仍是以口述讲解、插图、模具、标本、动物实验教学为主，但传统教学模式存在诸多不足，如重复利用率低、费用较高、试验动物、标本短缺，教学模具和多媒体图片抽象难懂等问题。VR技术可以克服相关弊端。VR系统可以循环播放并进行暂停回放等相关操作，学生在其中也会更具有积极性及主动性，而原本抽象的实物模具可以通过多角度、多切面以及与部分与整体相结合的模式进行学习和理解。学生可以通过VR平台实习病史采集、体格检查、阅读影像资料、与患者沟通、相关急重症突发情况的处理等[3-4]。1999年研发的VR患者cyberpatient开启了了VR技术在临床医学的应用新时代[3]，VR技术在临床医学教育领域得到了飞速发展，我国的医学领域的VR技术应用也紧跟时代步伐。“虚拟膝关节镜手术仿真系统” 以及“肝虚拟手术系统”已成功申请专利，都发挥了VR技术在医学教育领域的作用，新一代VR系统的研发也是如火如荼[5]。

4 VR技术对神经外科研究生手术培养的作用

由于颅脑解剖的复杂性，各种神经外科辅助技术如内镜、显微镜、导航等不断应用于手术，神经外科手术也越来越复杂，越来越微创。对神经外科医师的要求越来越高，其培养周期也越长。VR技术不仅避免真实手术所带来的各种风险，还可以弥补传统教学资源的不足。通过建立相关的神经外科手术的VR模拟平台，神经外科研究生可以在VR世界内进入颅脑的内部，打破时空条件的限制，不仅可以随时暂停、循环播放反复学习， 还可以进行多角度动态观察，提高神经外科研究生的空间想象力及学习积极性，且通过在VR平台上练习一些复杂的手术操作，增加手术熟练度，缩短神经外科医生的培养周期。

4.1 研發完善的颅脑手术模拟平台

VR技术是技术手段，要达到神经外科临床医学教育应用目的，需要VR技术工程师与神经外科专家一起合作，建立完善的三维颅脑手术模拟平台系统。首先，可根据现阶段神经外科亚专科分类分为神经肿瘤手术、脑血管病手术、功能神经外科手术等，神经外科研究生可以根据自己的亚专业方向进行选择性训练。其次，每一个颅脑手术模拟平台还需要运用云计算、大数据理念，输入大量实际的病人相关参数以及化验检查等，以最大程度的模拟真实手术过程。现阶段的VR技术已实现对于颅脑解剖模拟平台的完全仿真，把影像检测设备终端的CT、MRI、DSA等数据通过医学数字成像和通信（digital imaging and communications in medicine）标准数据接口将影像信息输入到VR技术操作平台上，经图像处理软件高速处理2D图像数据，经相应的软件处理自动生成三维颅脑解剖模拟平台，如在dgosczhry工作站上，已成功应用在10例中央区胶质瘤手术[6]。在颅脑解剖模拟平台的基础上，继续建立相关亚专业颅脑手术模拟平台系统，以应用于医学教育领域。

4.2 多感覺器官人机互动模拟真实手术环境

模拟颅脑手术，仅靠视觉是不够的，还需要听觉、触觉等感觉器官系统的强化。因此在建立了完善的颅脑手术模拟平台的基础上，触觉的模拟可以利用笔杆式反馈系统产生一个力量感知维度，模拟手术刀、电钻、双极电凝等器械自由运动时，操作者可以感觉到不同器械操作产生的力量差异，这样可以很好模拟出手术器械的质感，解决了VR手术模拟中最大困难。此外还可以模拟手术室环境中的声音，如心电监护仪声、呼吸机声等，以及不同手术器械如电凝、电钻的发声等。运用触觉、听觉进行人机互动，创建的虚拟神经外科手术仿真训练系统，不止模拟出真实的视觉感受，还可以虚拟出一个包含运动、触觉、听觉等多感觉器官反馈的手术环境，让操作者达到逼真的感受[7-8]。

5 结语

目前VR技术仍然处于起步阶段，由于软硬件的制约，相关人机互动系统还不完善。一个完整的VR神经外科研究生临床培养平台，不仅需要有系统的神经外科疾病的分类模拟平台以及相关手术治疗的分类模拟平台，还需要结合多感觉器官的模拟，充分发挥VR技术的浸润性、互动性与想象性的优势，通过VR技术提高研究生的学习积极性，增强实践操作能力，让研究生逼真的模拟相关手术操作，降低实验成本以及相关风险，缩短神经外科医生培养周期，让更多的患者能够享受到规范安全的专业治疗。

【参考文献】

[1]李新晖，陈梅兰.虚拟现实技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2016：1-16.

[2]Kin T，？Nakatomi H，？Shono N，et al. Neurosurgical Virtual Reality Simulation for Brain Tumor Using High-definition Computer Graphics： A Review of the Literature. Neurol？Med？Chir （Tokyo）.？2017 Oct 15;57（10）：513-520.

[3]Boulos MN，Hetherington I，Wheeler S. Second life：an Overview of the potential of 3-D virtual worlds in medical and health education[J]. Health info Libr J，2007，24（4）：233-245.

[4]张杰，张丰珍，郝津生，等.3D颞骨解剖导航模拟系统在颞骨解剖教学中的应用[J].临床耳鼻咽喉头颈外科杂志，2016，30（16）：1325-1328.

[5]王涛，丁勇，秦淼，等. 虚拟仿真技术在后期临床教学中的应用 [J]. 中国高等医学教育，2017（1）：15-16.

[6]陈图南，尹训涛，李学刚等？多模态融合的3D虚拟现实技术在中央区胶质瘤切除术中的应用 中华医学杂志？2018， 98（17）1302-5.

[7]Mattei TA.Nonhomeomorphic topological transformations and the challenge of collision detection in virtual reality simulation in neurosurgery. World Neurosurg.2014 Feb;81（2）：209-13.

[8]de Faria JW， Teixeira MJ， de Moura Sousa Júnior L，et al. Virtual and stereoscopic anatomy：when virtual reality meets medicaleducation.J Neurosurg.？2016 Nov;125（5）：1105-1111.