虛擬現(xiàn)實技術(shù)在整形外科中的應(yīng)用與展望

孫鵬飛 張彬 孫文娟 陳振雨

·綜 述·

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在整形外科中的應(yīng)用與展望

孫鵬飛1張彬2孫文娟3陳振雨1

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一門新興的學(xué)科，近年來這項技術(shù)已經(jīng)逐漸在醫(yī)學(xué)上得到應(yīng)用?，F(xiàn)對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概念、特征以及當(dāng)前該技術(shù)在整形外科領(lǐng)域的應(yīng)用（如手術(shù)模擬、醫(yī)師培訓(xùn)、臨床教學(xué)）進行闡述，對未來虛擬現(xiàn)實技術(shù)在整形外科領(lǐng)域的應(yīng)用與展望作一綜述。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)；整形外科；遠程手術(shù)；遠程醫(yī)療；培訓(xùn)工具；多點執(zhí)業(yè)；遠程會議

1 引言

虛擬現(xiàn)實（virtual reality,VR）一詞是在1989年由VPL Research公司的奠基人Jaron Lanier首先提出的[1]。但早在1965年，Robert Mann就已經(jīng)提出要在醫(yī)學(xué)中建立VR系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于康復(fù)工程的想法[2]?？梢姡琕R技術(shù)在萌芽階段就已經(jīng)與醫(yī)學(xué)結(jié)下了不解之緣。進入21世紀(jì)，VR技術(shù)取得了飛速發(fā)展，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也日漸廣泛[3]。本文就VR技術(shù)在整形外科中的應(yīng)用與展望作一綜述，以期為同行們提供參考。

2 VR的概念與特征

VR技術(shù)原是美國軍方研發(fā)的一種訓(xùn)練士兵的電腦技術(shù)[4]，它集合計算機、傳感與測量、仿真、微電子等先進技術(shù)于一體[5]，利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，用戶可戴上特制的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，或使用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，便可進入到虛擬場景里面，還可以進行即時互動，感知和操作虛擬場景中的某些對象，由此可獲得身臨其境的體會。近年來，VR技術(shù)發(fā)展迅速，目前在消費市場占據(jù)主導(dǎo)地位的是臉譜網(wǎng)的Oculus和HTC的VIVE[6]，二者功能十分相似。

VR技術(shù)的特征簡而言之是3個“I”構(gòu)成的三角形，即“Immersion—Interaction—Imagination（沉浸—交互—構(gòu)想）”[7]。國內(nèi)將其概括為4大基本特征：(1)多感知性。VR系統(tǒng)中裝有多種傳感及反應(yīng)裝置，用戶在虛擬場景中可有視、聽、觸、動等多種感知，以此獲得身臨其境的體會。(2)沉浸感。指用戶會暫時脫離外界環(huán)境，沉浸到虛擬世界中去。(3)交互性。指用戶可以通過輸入或感知設(shè)備與VR系統(tǒng)進行實時“對話”。(4)構(gòu)想性。VR系統(tǒng)可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實場景，也可以構(gòu)建客觀不存在的環(huán)境。

3 VR技術(shù)在整形外科中的應(yīng)用

3.1 整形外科手術(shù)模擬 VR技術(shù)在整形外科的應(yīng)用首先用于手術(shù)的模擬[8]。早在20世紀(jì)80年代早期，Platt和Badler就利用一個包含皮膚、肌肉和骨骼的3層模型模擬了人的面部。1996年，Pieper根據(jù)CT和MRI掃描的患者圖像數(shù)據(jù)資料，創(chuàng)造出一個有豐富細節(jié)信息的面部模型，根據(jù)這一模型創(chuàng)造的計算機輔助整形手術(shù)系統(tǒng)，可對面部軟組織的整形手術(shù)進行設(shè)計、分析和可視化，從而預(yù)示手術(shù)的結(jié)果[9]。

如今的整形外科手術(shù)模擬是尖端圖像采集技術(shù)，新穎的計算機圖形學(xué)的繪制算法，與圖像數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的物理建模技術(shù)和實時的、高性能的、多處理器的計算機圖形學(xué)系統(tǒng)等多種高新科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物[10]。術(shù)者可將患者的面部數(shù)據(jù)輸入VR設(shè)備，從而模擬出患者的面部模型，術(shù)者利用手套等輸入設(shè)備進行模擬手術(shù)。在虛擬的外科整形修復(fù)手術(shù)過程中，人體模型可以顯示出不適當(dāng)?shù)耐饪剖中g(shù)反應(yīng)（如引起鼻、嘴和眼瞼等的扭曲失真）及可能引起的并發(fā)癥，從而準(zhǔn)確預(yù)測手術(shù)結(jié)果，以此來改進手術(shù)方案，設(shè)計出更加適合患者的手術(shù)方案[11]。

3.2 整形外科醫(yī)師的培訓(xùn)工具 目前，VR技術(shù)對整形外科醫(yī)師的成長也起到了非常重要的作用[12]，傳統(tǒng)的整形外科手術(shù)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)是按照“師傅教徒弟”的方式進行的，有經(jīng)驗的整形外科醫(yī)師通過“我做你看”的方式訓(xùn)練初學(xué)者。而教學(xué)內(nèi)容在很大程度上依賴于臨床上遇到患者的類型，具有隨機性、不可預(yù)見性和不系統(tǒng)性。初學(xué)者在真正成為主刀醫(yī)師之前，只能通過觀看的方式來學(xué)習(xí)，缺少臨床的操作。VR技術(shù)的應(yīng)用可虛擬出1例患者，為初學(xué)者提供一個真實性的練習(xí)環(huán)境。通過自身多種感官的感知來了解和學(xué)習(xí)各種手術(shù)的實際操作[13]。VR技術(shù)的應(yīng)用對于年輕醫(yī)師來說可以短時間內(nèi)掌握各種手術(shù)技巧[14]，避免了由于年輕醫(yī)師技術(shù)不熟練導(dǎo)致的醫(yī)療事故，減少了醫(yī)療糾紛[15]。而且依據(jù)專家的經(jīng)驗技術(shù)創(chuàng)建出的手術(shù)專家系統(tǒng)可以在訓(xùn)練中進行必要的提示和指導(dǎo)，極大地提高了培訓(xùn)質(zhì)量[16]，高效地提高初學(xué)者的手術(shù)及其他操作技能[17]。

3.3 整形外科的教學(xué)工具 VR技術(shù)也可作為整形外科的教學(xué)工具[18]。醫(yī)學(xué)生可以在虛擬的環(huán)境中練習(xí)與患者的溝通能力，可以與整形外科著名的專家教授進行交流學(xué)習(xí)，也可以在老師的帶領(lǐng)下生動真實地學(xué)習(xí)解剖、生理、病理等醫(yī)學(xué)課程[19]。如芝加哥大學(xué)建造了一臺人體虛擬解剖電腦，學(xué)生利用VR技術(shù)在虛擬的組織和器官間進行操作,這使學(xué)生可以快速地掌握人體的解剖結(jié)構(gòu)知識[20]。

4 未來VR技術(shù)在整形外科領(lǐng)域的展望

4.1 遠程醫(yī)療及多點執(zhí)業(yè) 遠程醫(yī)療是VR技術(shù)綜合多媒體計算機通信網(wǎng)絡(luò)、電視會議系統(tǒng)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等技術(shù)，把各大醫(yī)療中心、?？漆t(yī)院等聯(lián)系起來，使患者的資料通過網(wǎng)路傳送給各地的醫(yī)師、專家，各位醫(yī)師和專家根據(jù)這些資料實時地返回診斷意見和治療建議。遠程醫(yī)療系統(tǒng)縮小了地域環(huán)境、醫(yī)療水平和醫(yī)療設(shè)備的差別，為患者、醫(yī)師和醫(yī)護工作者之間創(chuàng)造一個虛擬環(huán)境，大家通過VR系統(tǒng)在虛擬環(huán)境中進行面對面的實時交談，可以為患者提供更加優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)[21]。

通過VR技術(shù)，使得醫(yī)師的多點執(zhí)業(yè)也變的異常容易，醫(yī)師可以在家中，也可以在醫(yī)院的辦公室，只要帶上特制的頭盔，就可以見到任何地方他想要見到的患者，并且與患者在虛擬的環(huán)境里面對面的交談，為患者提出自己專業(yè)的醫(yī)療建議[22]。澳大利亞Volgina醫(yī)學(xué)研究所的一個研究小組已經(jīng)研制了一套基于VR用戶接口的多模式交互式EEG/MEG遠程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)環(huán)境[23]。相信在不久的將來，在VR技術(shù)基礎(chǔ)上的遠程醫(yī)療及多點執(zhí)業(yè)一定會成為現(xiàn)實。

4.2 遠程手術(shù) VR技術(shù)可與機器人技術(shù)聯(lián)合研制遠程手術(shù)系統(tǒng)[24]，美國軍方早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)在開發(fā)遠程虛擬手術(shù)系統(tǒng)[25]。有學(xué)者提出這樣的設(shè)想，外科醫(yī)師在虛擬人體模型上進行手術(shù)操作，醫(yī)師身上所帶的傳感器感受他的動作，傳感器收集到的動作信號可以經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳遞給一個接受信號的手術(shù)機器人,機器人通過信號指令對宇航員進行手術(shù)[26]。

相信在不久的將來，整形外科醫(yī)師也可以通過VR遠程手術(shù)系統(tǒng)在自己所在的醫(yī)院為世界各地的患者實施遠程手術(shù)。整形外科醫(yī)師通過VR技術(shù)，在虛擬的環(huán)境中對患者進行整形手術(shù)，他的動作就可以通過衛(wèi)星傳送給遠方的手術(shù)機器人，手術(shù)機器人根據(jù)醫(yī)師傳遞的信號進行手術(shù)操作[27]，而且手術(shù)的實時現(xiàn)場畫面也可以通過機器人上的攝像機拍攝傳遞并在虛擬環(huán)境中呈現(xiàn)，使得整形外科醫(yī)師如同身臨其境地為患者做手術(shù)。

4.3 參加遠程會議 對于一名整形外科醫(yī)師來說，參加會議是了解世界整形外科先進技術(shù)的重要途徑。但由于工作、家庭、經(jīng)濟原因，往往會錯過很多重要的會議。如果各大會議都有VR直播，那么對于整形外科醫(yī)師來說絕對是一大福音。不用旅途奔波，只需帶上特制的頭盔，進入VR技術(shù)創(chuàng)造出的會議虛擬現(xiàn)場，輕輕松松地了解世界先進的科研成果。根據(jù)現(xiàn)在的VR技術(shù)，直播一場學(xué)術(shù)會議絕對不是天方夜譚，只是直播費用可能會高出普通會議直播的數(shù)十倍甚至更多。期望隨著科技的發(fā)展，VR直播的成本可以降低到每一場學(xué)術(shù)會議都能夠直播的水平。

4.4 VR技術(shù)在整形手術(shù)前后的應(yīng)用 與上述整形外科醫(yī)師利用VR設(shè)計手術(shù)方案一樣，患者也可以根據(jù)VR技術(shù)模擬出不同手術(shù)方案的術(shù)后效果來選擇自己鐘愛的手術(shù)方案。術(shù)者在模擬手術(shù)的過程中將不同術(shù)式的預(yù)后效果保存下來，患者通過VR技術(shù)在虛擬環(huán)境中觀看術(shù)者保存下來的“術(shù)后的自己”，根據(jù)自己的喜好來選擇手術(shù)方式。而且術(shù)后也可以利用VR技術(shù)減輕患者的痛苦及心理負擔(dān)[28-29]。

4.5 患者家屬觀看手術(shù)過程 手術(shù)過程歷來對患者家屬而言都是神秘的，也因此產(chǎn)生了大量的醫(yī)療糾紛。如果在不久的將來，每一臺整形外科手術(shù)都可以進行VR直播，患者家屬在手術(shù)過程中帶上特制的頭盔進入虛擬的手術(shù)現(xiàn)場，觀看手術(shù)的每一個環(huán)節(jié)，筆者相信，因為相互之間不了解不信任造成的醫(yī)療糾紛將會大幅下降。

5 結(jié)束語

綜上所述,VR技術(shù)在我國雖然起步較晚，但發(fā)展較快。通過近年來在臨床實踐中的推廣應(yīng)用，已證明其可以節(jié)省大量的時間與資源，可以更快捷、更安全地挽救生命。隨著科技的發(fā)展以及我國對VR技術(shù)的日益重視，相信VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用將取得更大的發(fā)展，尤其是在整形外科領(lǐng)域的應(yīng)用，前景十分廣闊?？梢灶A(yù)料，VR技術(shù)將會給傳統(tǒng)醫(yī)療形式帶來革命性的改變。

［1］陳貴遠,羅從風(fēng),王繼成.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進展[J].上海醫(yī)學(xué),2006,9(6):408-411.

［2］鐘季康.醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實-21世紀(jì)的挑戰(zhàn)[J].中國醫(yī)療器械雜志,2003,27(3):166-168.

［3］Bordnick PS,Carter BL,Traylor AC.What virtual reality research in addictions can tell us about the future of obesity assessment and treatment[J].J Diabetes Sci Technol,2011,5(2):265-271.

［4］黃國秀.虛擬現(xiàn)實及其在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J].醫(yī)院管理論壇，2009,26(6):61-64.

［5］徐升,唐慶玉.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J].國外醫(yī)學(xué)（生物醫(yī)學(xué)工程分冊），2001,24(2):4954.

［6］Hamacher A,Kim SJ,Cho ST,et al.Application of virtual,augmented and mixed reality to urology[J].Int Neurourol J,2016,20(3):172-181.

［7］李國武.虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VRML）在晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)及結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用[J].計算機與現(xiàn)代化,2003,23(2):16.

［8］WillaertWI,AggarwalR,VanHerzeeleI,etal.Recent advancements in medical simulation:patient-specific virtual realitysimulation[J].World J Surg,2012,36(7):1703-1712.

［9］Rosen JM,Soltanian H,Redett R,et al.The evolution of virtual reality[J].Stud Health Technol Inform,1996,29:16-22.

［10］Larson EB,Feigon M,GagliardoP,et al.The imperative formedical simulation[J].Proceedings ofthe IEEE,1998,86(3):479-483.

［11］Rosen JM,Soltanian H,Redett R,et al.Virtual reality and cognitive rehabilitation:a review of current outcome research[J].NeuroRehabilitation,2014,34(4):759-772.

［12］Alaker M,Wynn GR,Arulampalam T.Virtual reality training in laparoscopic surgery:a systematic review&meta-analysis[J].Int J Surg,2016,29:85-94.

［13］A?m F,Lonjon G,Hannouche D,et al.Effectiveness of virtual reality training in orthopaedic surgery[J].Arthroscopy,2016,32(1):224-232.

［14］Ikonen TS,Antikainen T,Silvennoinen M,et al.Virtual realitysimulator training of laparoscopic cholecystectomies-a systematic review[J].Scand J Surg,2012,101(1):5-12.

［15］V?penstad C,Buzink SN.Procedural virtual reality simulation in minimallyinvasive surgery[J].SurgEndosc,2013,27(2):364-377.

［16］Larsen CR,Oestergaard J,Ottesen BS,et al.The efficacy of virtual reality simulation training in laparoscopy:a systematic review of randomized trials[J].Acta Obstet Gynecol Scand,2012,91(9):1015-1028.

［17］劉文霞,王樹杰,張繼偉.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2007,24(4):946-949.

［18］Wang LL,Wu HH,Bilici N,et al.Gunner goggles:implementing augmented realityintomedical education[J].Stud Health Technol Inform,2016,220:446-449.

［19］Burden C,Oestergaard J,Larsen CR.Integration of laparoscopic virtual-realitysimulationintogynaecologytraining[J].BJOG,2011,118 Suppl 3:5-10.

［20］Bricken M.Virtual reality learning environments potentials and challenges[J].Computer Graphics,1997,25(3):178.

［21］ChiricoA,Lucidi F,De Laurentiis M,et al.Virtual realityin health system:beyond entertainment.a mini-reviewon the efficacy of VR duringcancer treatment[J].J Cell Physiol,2016,231(2):275-287.

［22］劉聚卑,莊天戈.虛擬現(xiàn)實在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,2000,19(1):47-54.

［23］Emil Jovano.Multimodal viewer for telemedical applications[J].Proc 20th Ann Intern Confer IEEE EngMeb BiolSoc,1998,20(3):1254.

［24］Khan R,Aydin A,Khan MS,et al.Simulation-based training for prostate surgery[J].BJUInt,2015,116(4):665-674.

［25］Green PS.Telepresence surgery[J].IEEE EngMed BiolMag,1996,14(3):324.

［26］Hughes-Hallett A,Pratt P,Mayer E,et al.Image guidance for all-TilePro display of 3-dimensionally reconstructed i mages in roboticpartialnephrectomy[J].Urology,2014,84(1):237-242.

［27］Ghani KR,Trinh QD,Sammon J,et al.Robot-assisted urological surgery:currentstatusandfutureperspectives[J].ArabJUrol,2012,10(1):17-22.

［28］HoffmanHG,ChambersGT,MeyerWJ3rd,etal.Virtualrealityasan adjunctive non-pharmacologic analgesic for acute burn pain during medicalprocedures[J].AnnBehavMed,2011,41(2):183-191.

［29］Dombeck DA,Reiser MB.Real neuroscience in virtual worlds[J].CurrOpinNeurobiol,2012,22(1):3-10.

2016-08-21）

10.3969/j.issn.1673-7040.2017.01.015.

10.3969/j.issn.1673-7040.2017.01.015

青島大學(xué)附屬醫(yī)院（1.美容整形外科；2.工會），山東 青島266000；3.博興縣人民醫(yī)院 內(nèi)七科，山東 濱州 256500

陳振雨，Email:czy.plastic@126.com

本文引用格式：孫鵬飛,張彬,孫文娟,等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在整形外科中的應(yīng)用與展望［J］.中國美容整形外科雜志,2017,28(1):51-52,59.