虛擬現(xiàn)實技術(shù)在微創(chuàng)外科手術(shù)學的應用

謝文，劉勝林，孔維佳，張佳華

華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院 生物醫(yī)學工程教研室， 湖北 武漢430022

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在微創(chuàng)外科手術(shù)學的應用

謝文，劉勝林，孔維佳，張佳華

華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院 生物醫(yī)學工程教研室， 湖北 武漢430022

本文簡要回顧了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學領域的應用，指出在外科學進入到微創(chuàng)手術(shù)顯微時代，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展為外科手術(shù)的教學以及手術(shù)指引與評估提供了全新的模式，因此建立相應的手術(shù)虛擬現(xiàn)實模型以及外科學培訓系統(tǒng)平臺也越來越得到醫(yī)學與工程學專家的共識。文中分別從如何構(gòu)建虛擬手術(shù)系統(tǒng)的三維模型、系統(tǒng)的功能設計、耳顯微外科的臨床應用等幾個方面進行相關闡述，并展望了虛擬手術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展前景。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)；微創(chuàng)外科手術(shù)；虛擬手術(shù)系統(tǒng)；臨床教學

0 引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種通過交互式計算機模擬真實世界的人機界面技術(shù)。在醫(yī)學領域，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與現(xiàn)代外科手術(shù)學結(jié)合產(chǎn)生了虛擬手術(shù)系統(tǒng)，為外科手術(shù)的教學以及手術(shù)指引與評估提供了全新的模式，正逐步顯示了它的巨大潛力和實用前景。虛擬手術(shù)系統(tǒng)集計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、生物力學、現(xiàn)代醫(yī)學、圖像處理、虛擬可視化以及生物醫(yī)學工程技術(shù)于一體，為醫(yī)生提供一個模擬真實手術(shù)操作過程中可能遇到的各種現(xiàn)象的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。虛擬手術(shù)系統(tǒng)的研究和開發(fā)為醫(yī)生提供了可反復使用的訓練和教學工具[1]，可以應用于手術(shù)前規(guī)劃與演練、手術(shù)中的導航以提高手術(shù)成功率以及與網(wǎng)絡技術(shù)結(jié)合進行遠程手術(shù)等。

虛擬現(xiàn)實的終極目標就是真實的體驗和自然方便的人機交互。虛擬現(xiàn)實就是要利用各種先進的硬件技術(shù)及軟件工具，設計出合理的硬件、軟件及交互手段，使參與者能交互地觀察和操縱系統(tǒng)生成的虛擬世界。

近二十年，計算機信息技術(shù)和數(shù)字影像技術(shù)與傳統(tǒng)醫(yī)學的融合，不斷推動著外科手術(shù)向微創(chuàng)化發(fā)展，各種新技術(shù)的出現(xiàn)已使外科學的發(fā)展進入了一個新的微創(chuàng)外科時代。大多數(shù)微創(chuàng)外科手術(shù)是經(jīng)過監(jiān)視器或顯微鏡間接觀察手術(shù)視野，而在這種視覺下的操作極大地影響了術(shù)者的立體深感覺與觸覺力反饋，增加了手眼協(xié)調(diào)性的難度，因此微創(chuàng)手術(shù)對外科醫(yī)生的手術(shù)技能提出了新的要求，如在監(jiān)視器或顯微鏡下進行手術(shù)要求更高的眼手協(xié)調(diào)性、手術(shù)器械操作熟練性以及對手術(shù)解剖部位的空間辨識力[2]等。目前，很多國家的科研單位對虛擬手術(shù)系統(tǒng)進行研究，它不僅有著重要的理論意義，而且有著廣泛的應用前景，已有相關研究表明，外科學進入到微創(chuàng)手術(shù)顯微時代，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已被證實為一種培訓年輕醫(yī)生手術(shù)技能的有效方法，一個完整的虛擬手術(shù)系統(tǒng)能夠?qū)崟r顯示逼真手術(shù)場景，具有手術(shù)操作過程中反饋力的感覺，以及碰撞檢測和切割變形[3]的仿真等。

1 虛擬手術(shù)系統(tǒng)的三維模型構(gòu)建

虛擬手術(shù)系統(tǒng)中，虛擬手術(shù)場景的研究主要是人體器官組織的三維建模，較早的研究是通過“虛擬人計劃”所獲得的人體三維數(shù)據(jù)來建立手術(shù)區(qū)域器官組織幾何模型；隨著醫(yī)學成像技術(shù)的進步，將計算機斷層掃描（CT）、核磁共振成像（MRI）等設備獲取的病人影像信息進行三維重構(gòu)[4]，直接生成適合虛擬手術(shù)系統(tǒng)的幾何模型[9,10]。

醫(yī)學圖像三維重構(gòu)一般分為人體醫(yī)學圖像的獲取、等值線信息的抽取、簡化等值線、拓撲重構(gòu)、幾何重構(gòu)五個步驟。其中拓撲重構(gòu)和幾何重構(gòu)是整個醫(yī)學圖像重構(gòu)的關鍵。拓撲重構(gòu)采用構(gòu)造分類圖來表示層間輪廓線的拓撲關系，是整個斷層重構(gòu)的基礎。幾何重構(gòu)有面向曲面的重構(gòu)和面向體的重構(gòu)，曲面重構(gòu)能快速繪制物體表面但卻丟失了內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，體重構(gòu)計算復雜而速度較慢，但能顯示豐富的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并能自然地進行平面剪切和立方切割。模擬人體器官組織不僅需要物體的外廓也需要知道模型內(nèi)部的相應信息，因此，在虛擬手術(shù)系統(tǒng)中一般采用體重構(gòu)。

在三維重建過程中首先是對手術(shù)解剖部位的圖像分割，準確和快速的圖像分割技術(shù)是虛擬建模的基礎?，F(xiàn)代醫(yī)院臨床上的高分辨率CT和MRI很多自帶有三維重構(gòu)的圖像分析軟件，但對一些組織器官的分割重建還不夠精確，特別是大多數(shù)微創(chuàng)手術(shù)中的顯微結(jié)構(gòu)。我們在實際建模中，先采用CT和MRI自帶的重構(gòu)軟件自動快速識別出手術(shù)解剖部位的大體位置和結(jié)構(gòu)，再結(jié)合人工辨識微小結(jié)構(gòu)與組織進行手工標明，然后采用閾值分割法繪制出細微解剖結(jié)構(gòu)。

2 虛擬手術(shù)系統(tǒng)的功能設計

虛擬手術(shù)系統(tǒng)因其能逼真地演繹微創(chuàng)外科手術(shù)的環(huán)境和操作的過程，對手術(shù)訓練和教學有很高的應用價值，年輕的醫(yī)學生通過模擬系統(tǒng)掌握手術(shù)部位解剖結(jié)構(gòu)、熟練使用各種器械、反復練習基本手術(shù)技能。

整個系統(tǒng)在功能設計上手術(shù)操作的模擬能夠靈活調(diào)整以適合不同手術(shù)醫(yī)生的要求，我們在設計虛擬手術(shù)系統(tǒng)時，不僅清晰重構(gòu)了正常組織結(jié)構(gòu)，而且建立了常見的各種病理組織模型與真實的手術(shù)病例，并指導使用者在虛擬環(huán)境中進行正確的處理，同時操作的過程將被系統(tǒng)記錄下來，根據(jù)各項參數(shù)與專家標準庫的數(shù)據(jù)對照進行評分，能夠較客觀地反映了訓練者的操作水平。

由于手術(shù)操作是精細復雜的過程，對虛擬手術(shù)器械的操作模擬非常重要，使用帶有傳感器的設備模擬出操作手術(shù)器械的移動、旋轉(zhuǎn)等相應動作。虛擬手術(shù)過程器械和組織之間的接觸應根據(jù)虛擬對象的自身特性進行模擬，非剛性的組織器官碰撞到手術(shù)器械會發(fā)生表面形變，需要通過計算碰撞表面的位點改變重新繪制圖形。

3 虛擬手術(shù)系統(tǒng)的應用

目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已被證實為一種培訓年輕醫(yī)生手術(shù)技能的有效方法，因此建立相應的手術(shù)虛擬現(xiàn)實模型以及外科學培訓系統(tǒng)平臺也越來越得到醫(yī)學與工程專家的共識。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，模擬系統(tǒng)集成觸覺力反饋裝置的成本也越來越低，已經(jīng)有越來越多的大學及教學醫(yī)院開始應用虛擬手術(shù)系統(tǒng)進行對初學者的培訓[7,8]。受訓者在經(jīng)過相應的課程學習和操作訓練后，對培訓項目的技術(shù)掌握，如靈巧度、操作速度、準確度上有著顯著地提高，甚至對于一些有著臨床經(jīng)驗的醫(yī)生也有一定的幫助[5]。因為虛擬系統(tǒng)的使用者可以反復操作整個任務程序，全面的完成手術(shù)過程，處理真實手術(shù)過程中可能發(fā)生的常見緊急情況，從而得到與真實手術(shù)室環(huán)境下相類似的手術(shù)技能。

例如在臨床上，耳鼻喉頭頸外科醫(yī)師需要對顳骨解剖有扎實的基礎知識，由于外耳道骨部、中耳、內(nèi)耳均位于顳骨之中，而顳骨深寓軟組織之中，無法直接觀察病變范圍及其周圍結(jié)構(gòu)的關系[6]，因此基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的耳顯微外科仿真系統(tǒng)研究對于培養(yǎng)年輕醫(yī)師的手術(shù)操作技能，以及患者實際手術(shù)前的預測與術(shù)中的輔助都具有廣闊的應用價值。基于耳外科學應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)專門外科手術(shù)虛擬系統(tǒng)，不僅可以在逼真的虛擬環(huán)境下體驗和學習手術(shù)中各種實際情況與處理操作，還可以通過網(wǎng)絡通信進行計算機遠程教學與手術(shù)會診指導治療，具有真正意義上的臨床實用價值。

4 虛擬手術(shù)系統(tǒng)的未來發(fā)展

正是由于虛擬手術(shù)系統(tǒng)廣闊的應用前景，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學領域得到了更多的重視。未來虛擬手術(shù)系統(tǒng)除了進一步提高其仿真度、完善功能，還將會在臨床上有更多的實際應用，如現(xiàn)在已有部分學者提出的對外科手術(shù)過程進行術(shù)前模擬并制定個體化的最佳手術(shù)策略。

未來虛擬現(xiàn)實技術(shù)將融入到數(shù)字化手術(shù)室，與眾多的先進數(shù)字化技術(shù)一起為醫(yī)生與患者帶來更多安全和便捷?；诰W(wǎng)絡的虛擬現(xiàn)實技術(shù)將實現(xiàn)應用程序的遠程共享，在虛擬現(xiàn)實的網(wǎng)絡環(huán)境中，外科手術(shù)醫(yī)生不僅可以進行各種?？剖中g(shù)的培訓和練習，還可以實現(xiàn)相距很遠的不同外科專家像在同一手術(shù)臺上一樣，共同完成一臺復雜的手術(shù)。

[1] Satava RM. Surgical education and surgical simulation[J]. World J Surg,2001,25(3):1484-1489.適合對乳腺疾病的初診。對致密型乳腺，CT乳腺增強掃描明顯優(yōu)于X線攝影，能提高惡性病變的檢出率?？蒲腥藛T移植了CT螺旋掃描和強大后處理功能包括多平面重建、表面重建、容積再現(xiàn)及最大密度投影等技術(shù)，羅徹斯特大學醫(yī)學中心（URMC）的Ruola Ning教授等發(fā)明了錐形束乳腺CT（Cone Beam Breast Computed Tomography,CBBCT）。

錐形束乳腺CT使用的射線與傳統(tǒng)乳腺X光機使用的射線能量一樣，并使用FPD探測器，能獲取乳腺癌三維圖像，解決了不同組織的疊加問題。CBBCT鑒別腫塊的能力比傳統(tǒng)的乳房X光攝影好，基于平板探測器的乳腺錐束成像技術(shù)可獲得高分辨率圖像，能更好檢測低對比度乳腺腫瘤，并可對乳腺病變更精確定位，還提高了對小的乳腺腫瘤的檢測能力[13]。檢查者俯臥在有洞的檢查臺上，剛好讓乳腺懸吊在洞中。螺旋掃描儀圍繞乳腺掃描約10s完成檢查，獲得300幅乳腺薄層組織圖像，并重建乳腺的三維圖像。研究顯示，乳腺錐束成像技術(shù)取得重大進展，CBBCT在檢查時間，舒適度和診斷的準確性方面比數(shù)字乳房斷層合成（DBT）更優(yōu)越，錐形束CT能徹底改變?nèi)榉康娜橄侔┖Y查[14]。2008年7月，加利佛尼亞大學戴維斯分校醫(yī)學中心約翰·M·波尼博士也報告研制了錐形束乳腺CT,并預示說這項新技術(shù)可望在未來的3~4年內(nèi)投入臨床使用。

（未完下期連載）

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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通訊作者：孔維佳，教授，博士生導師，耳鼻喉科主任，副院長。

作者郵箱：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