虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在神經(jīng)外科研究生手術(shù)培訓(xùn)的應(yīng)用

毛錦寧　劉國(guó)棟

【摘 要】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，VR）是應(yīng)用電腦技術(shù)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維虛擬世界，通過對(duì)聽覺、視覺、觸覺等感覺器官的多重模擬，給操作者逼真的感受。近年來(lái)VR技術(shù)正在建筑裝潢、航空航天、影視娛樂、軍事培訓(xùn)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。神經(jīng)外科手術(shù)操作空間小、毗鄰結(jié)構(gòu)重要而學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)。缺乏經(jīng)驗(yàn)的神經(jīng)外科研究生在手術(shù)培訓(xùn)中只能進(jìn)行淺表的手術(shù)操作或者觀摩手術(shù)視頻，導(dǎo)致神經(jīng)外科研究生畢業(yè)后通過漫長(zhǎng)臨床實(shí)踐才能成為熟練的醫(yī)生。本文提出將VR技術(shù)和臨床病例結(jié)合后建立顱腦手術(shù)模擬平臺(tái)，讓神經(jīng)外科研究生在VR模擬的三維虛擬世界里自己完成手術(shù)，這種全新的教學(xué)模式可以使神經(jīng)外科研究生更好的進(jìn)行手術(shù)，更快的成長(zhǎng)為熟練的神經(jīng)外科醫(yī)生。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);神經(jīng)外科;醫(yī)學(xué)教育;研究生培養(yǎng)

中圖分類號(hào)： G642;R651-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）20-0221-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.102

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，VR）是全息影像技術(shù)的一種，它基于電腦技術(shù)模擬產(chǎn)生一個(gè)三維的虛擬空間，通過對(duì)多重感覺器官的模擬，給操作者帶來(lái)逼真的感受。VR技術(shù)具有浸潤(rùn)性、互動(dòng)性、多感知性、想象性、自主性等特點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步，各行業(yè)對(duì)VR技術(shù)的需求逐漸擴(kuò)大[1]。顱腦功能的重要性要求神經(jīng)外科手術(shù)醫(yī)生具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。由于顱腦對(duì)于人體的重要性，神經(jīng)外科研究生在手術(shù)中只能進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的操作或者只能觀看手術(shù)，導(dǎo)致神經(jīng)外科研究生的成長(zhǎng)周期長(zhǎng)，而VR技術(shù)可以建立的三維虛擬手術(shù)模擬平臺(tái)，研究生在電腦模擬的虛擬世界里自己動(dòng)手完成手術(shù)，有利于縮短神經(jīng)外科研究生的培養(yǎng)周期，造就更多優(yōu)秀的神經(jīng)外科手術(shù)人才[2]。

1 VR技術(shù)的概念

隨著電腦軟件硬件的進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，VR）模擬產(chǎn)生一個(gè)三維虛擬世界，通過對(duì)聽覺、視覺、觸覺等多重感覺器官的模擬，給操作者帶來(lái)逼真的體驗(yàn)。VR技術(shù)將計(jì)算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)于一體，其基本實(shí)現(xiàn)方式是計(jì)算機(jī)模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境浸潤(rùn)感。

2 VR技術(shù)的主要特征

VR技術(shù)具有浸潤(rùn)性、互動(dòng)性、多感知性、想象性等特征[1]。VR技術(shù)使得操作者在虛擬的空間里與外界事物產(chǎn)生互動(dòng)，產(chǎn)生身在其中的感觸。

這些特征使操作者能夠進(jìn)入一個(gè)由計(jì)算機(jī)生成的互動(dòng)式三維虛擬世界中，并與之產(chǎn)生互動(dòng)，進(jìn)行交流。通過參與者與仿真環(huán)境的相動(dòng)，借助操作者本身對(duì)所接觸事物的感受和理解，啟發(fā)操作者的思維，全方位獲取VR環(huán)境所蘊(yùn)含的各種空間信息和邏輯信息。

2.1 浸潤(rùn)性

浸潤(rùn)性是讓操作者成為并感受自己是虛擬環(huán)境中的一部分，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的浸潤(rùn)性取決于操作者的感知系統(tǒng)，當(dāng)操作者感知到VR世界的刺激時(shí)，包括視覺、觸覺、味覺、嗅覺、運(yùn)動(dòng)感知等，便會(huì)產(chǎn)生思想共鳴，產(chǎn)生心理浸潤(rùn)，有逼真的感觸。

2.2 互動(dòng)性

互動(dòng)性是指操作者進(jìn)入VR空間，相應(yīng)的技術(shù)設(shè)備讓操作者跟環(huán)境產(chǎn)生互動(dòng)，當(dāng)操作者進(jìn)行某種操作時(shí)，周圍的環(huán)境也會(huì)做出某種反應(yīng)。如操作者接觸到VR空間中的物體，那么操作者手上應(yīng)該能夠感受到物體的質(zhì)量、質(zhì)地等特征，若操作者對(duì)物體施加動(dòng)作，物體的位置和形狀速度等也發(fā)生相應(yīng)改變。

2.3 多感知性

在目前的技術(shù)水平下，可以進(jìn)行觸覺、溫度覺、視覺、重量、表面質(zhì)地等特質(zhì)進(jìn)行充分的仿真。從而使得VR技術(shù)具有多種感覺器官感受的模擬，也就是多感知性。VR技術(shù)將來(lái)可能增加味覺、嗅覺等感知。

2.4 想象性

想象性也稱構(gòu)想性，想象可以理解為操作者進(jìn)入VR空間，根據(jù)操作者的感覺與認(rèn)知能力吸收知識(shí)，經(jīng)過整合分析發(fā)散拓寬思維，想象出新的概念和環(huán)境，想象性可以拓寬認(rèn)知范圍，想象客觀世界不存在的場(chǎng)景或不可能發(fā)生的意境。

3 VR技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用

目前，臨床醫(yī)學(xué)教育，仍是以口述講解、插圖、模具、標(biāo)本、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主，但傳統(tǒng)教學(xué)模式存在諸多不足，如重復(fù)利用率低、費(fèi)用較高、試驗(yàn)動(dòng)物、標(biāo)本短缺，教學(xué)模具和多媒體圖片抽象難懂等問題。VR技術(shù)可以克服相關(guān)弊端。VR系統(tǒng)可以循環(huán)播放并進(jìn)行暫?；胤诺认嚓P(guān)操作，學(xué)生在其中也會(huì)更具有積極性及主動(dòng)性，而原本抽象的實(shí)物模具可以通過多角度、多切面以及與部分與整體相結(jié)合的模式進(jìn)行學(xué)習(xí)和理解。學(xué)生可以通過VR平臺(tái)實(shí)習(xí)病史采集、體格檢查、閱讀影像資料、與患者溝通、相關(guān)急重癥突發(fā)情況的處理等[3-4]。1999年研發(fā)的VR患者cyberpatient開啟了了VR技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)用新時(shí)代[3]，VR技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展，我國(guó)的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的VR技術(shù)應(yīng)用也緊跟時(shí)代步伐?！疤摂M膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)仿真系統(tǒng)” 以及“肝虛擬手術(shù)系統(tǒng)”已成功申請(qǐng)專利，都發(fā)揮了VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的作用，新一代VR系統(tǒng)的研發(fā)也是如火如荼[5]。

4 VR技術(shù)對(duì)神經(jīng)外科研究生手術(shù)培養(yǎng)的作用

由于顱腦解剖的復(fù)雜性，各種神經(jīng)外科輔助技術(shù)如內(nèi)鏡、顯微鏡、導(dǎo)航等不斷應(yīng)用于手術(shù)，神經(jīng)外科手術(shù)也越來(lái)越復(fù)雜，越來(lái)越微創(chuàng)。對(duì)神經(jīng)外科醫(yī)師的要求越來(lái)越高，其培養(yǎng)周期也越長(zhǎng)。VR技術(shù)不僅避免真實(shí)手術(shù)所帶來(lái)的各種風(fēng)險(xiǎn)，還可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)資源的不足。通過建立相關(guān)的神經(jīng)外科手術(shù)的VR模擬平臺(tái)，神經(jīng)外科研究生可以在VR世界內(nèi)進(jìn)入顱腦的內(nèi)部，打破時(shí)空條件的限制，不僅可以隨時(shí)暫停、循環(huán)播放反復(fù)學(xué)習(xí)， 還可以進(jìn)行多角度動(dòng)態(tài)觀察，提高神經(jīng)外科研究生的空間想象力及學(xué)習(xí)積極性，且通過在VR平臺(tái)上練習(xí)一些復(fù)雜的手術(shù)操作，增加手術(shù)熟練度，縮短神經(jīng)外科醫(yī)生的培養(yǎng)周期。

4.1 研發(fā)完善的顱腦手術(shù)模擬平臺(tái)

VR技術(shù)是技術(shù)手段，要達(dá)到神經(jīng)外科臨床醫(yī)學(xué)教育應(yīng)用目的，需要VR技術(shù)工程師與神經(jīng)外科專家一起合作，建立完善的三維顱腦手術(shù)模擬平臺(tái)系統(tǒng)。首先，可根據(jù)現(xiàn)階段神經(jīng)外科亞?？品诸惙譃樯窠?jīng)腫瘤手術(shù)、腦血管病手術(shù)、功能神經(jīng)外科手術(shù)等，神經(jīng)外科研究生可以根據(jù)自己的亞專業(yè)方向進(jìn)行選擇性訓(xùn)練。其次，每一個(gè)顱腦手術(shù)模擬平臺(tái)還需要運(yùn)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)理念，輸入大量實(shí)際的病人相關(guān)參數(shù)以及化驗(yàn)檢查等，以最大程度的模擬真實(shí)手術(shù)過程。現(xiàn)階段的VR技術(shù)已實(shí)現(xiàn)對(duì)于顱腦解剖模擬平臺(tái)的完全仿真，把影像檢測(cè)設(shè)備終端的CT、MRI、DSA等數(shù)據(jù)通過醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信（digital imaging and communications in medicine）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口將影像信息輸入到VR技術(shù)操作平臺(tái)上，經(jīng)圖像處理軟件高速處理2D圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)相應(yīng)的軟件處理自動(dòng)生成三維顱腦解剖模擬平臺(tái)，如在dgosczhry工作站上，已成功應(yīng)用在10例中央?yún)^(qū)膠質(zhì)瘤手術(shù)[6]。在顱腦解剖模擬平臺(tái)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)建立相關(guān)亞專業(yè)顱腦手術(shù)模擬平臺(tái)系統(tǒng)，以應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域。

4.2 多感覺器官人機(jī)互動(dòng)模擬真實(shí)手術(shù)環(huán)境

模擬顱腦手術(shù)，僅靠視覺是不夠的，還需要聽覺、觸覺等感覺器官系統(tǒng)的強(qiáng)化。因此在建立了完善的顱腦手術(shù)模擬平臺(tái)的基礎(chǔ)上，觸覺的模擬可以利用筆桿式反饋系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)力量感知維度，模擬手術(shù)刀、電鉆、雙極電凝等器械自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，操作者可以感覺到不同器械操作產(chǎn)生的力量差異，這樣可以很好模擬出手術(shù)器械的質(zhì)感，解決了VR手術(shù)模擬中最大困難。此外還可以模擬手術(shù)室環(huán)境中的聲音，如心電監(jiān)護(hù)儀聲、呼吸機(jī)聲等，以及不同手術(shù)器械如電凝、電鉆的發(fā)聲等。運(yùn)用觸覺、聽覺進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)，創(chuàng)建的虛擬神經(jīng)外科手術(shù)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，不止模擬出真實(shí)的視覺感受，還可以虛擬出一個(gè)包含運(yùn)動(dòng)、觸覺、聽覺等多感覺器官反饋的手術(shù)環(huán)境，讓操作者達(dá)到逼真的感受[7-8]。

5 結(jié)語(yǔ)

目前VR技術(shù)仍然處于起步階段，由于軟硬件的制約，相關(guān)人機(jī)互動(dòng)系統(tǒng)還不完善。一個(gè)完整的VR神經(jīng)外科研究生臨床培養(yǎng)平臺(tái)，不僅需要有系統(tǒng)的神經(jīng)外科疾病的分類模擬平臺(tái)以及相關(guān)手術(shù)治療的分類模擬平臺(tái)，還需要結(jié)合多感覺器官的模擬，充分發(fā)揮VR技術(shù)的浸潤(rùn)性、互動(dòng)性與想象性的優(yōu)勢(shì)，通過VR技術(shù)提高研究生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)實(shí)踐操作能力，讓研究生逼真的模擬相關(guān)手術(shù)操作，降低實(shí)驗(yàn)成本以及相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，縮短神經(jīng)外科醫(yī)生培養(yǎng)周期，讓更多的患者能夠享受到規(guī)范安全的專業(yè)治療。

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