基于VR技術(shù)的3D手術(shù)操作練習(xí)模擬器的設(shè)計與開發(fā)

李菲菲

摘? 要：目的：解決醫(yī)學(xué)教學(xué)過程中相關(guān)人體等實驗材料不足的問題，提高醫(yī)學(xué)教學(xué)質(zhì)量，設(shè)計出便于使用的3D手術(shù)操作練習(xí)模擬器。方法：基于VR技術(shù)，建立一個能夠提供使用者關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬場景。結(jié)果：建立虛擬模型，設(shè)計出便于使用的3D手術(shù)操作練習(xí)模擬器。結(jié)論：模擬器讓使用過的使用者真實的獲得手術(shù)操作的經(jīng)驗，不僅節(jié)省了稀有的現(xiàn)實材料，還大大的提高了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)生的技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù);手術(shù)操作;模擬器;設(shè)計與開發(fā)

中圖分類號：TP242? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）16-0040-03

Abstract： Objective： To solve the problem of shortage of human body and other experimental materials in the process of medical teaching， improve the quality of medical teaching， and design a convenient 3D operation practice simulator. Methods： Based on VR technology， a simulation scene was established， which can provide users with visual， auditory， tactile and other senses. Results： A virtual model was established and a convenient 3D operation practice simulator was designed. Conclusion： The simulator allows users to gain real experience in surgical operation， which not only saves rare practical materials， but also greatly improves the technical level of modern medical students.

Keywords： virtual reality technology; surgical operation; simulator; design and development

1 概述

隨著如今電子信息和計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也作為一項新興技術(shù)得以初步發(fā)展。作為一個在眾多領(lǐng)域均有重大研究意義和價值的新模式，虛擬現(xiàn)實技術(shù)對于我國的技術(shù)創(chuàng)新、未來科技發(fā)展等方面有著重要作用。目前，該技術(shù)已可被初步應(yīng)用于許多產(chǎn)業(yè)中，包括醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)越來越具有真實性和沉浸感，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以有效地解決實驗條件與實驗效果之間的矛盾。將虛擬現(xiàn)實應(yīng)用于手術(shù)訓(xùn)練，解決方案不僅有效，而且前景廣闊，受訓(xùn)醫(yī)學(xué)生在接受基于虛擬現(xiàn)實的手術(shù)技能培訓(xùn)時，將結(jié)合來自視覺和操作兩方面的感受來獲得身臨其境的沉浸感[1]。

因此，本課題旨在利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行手術(shù)操作練習(xí)模擬器的設(shè)計與開發(fā)，以加強(qiáng)鞏固各種手術(shù)操作的細(xì)節(jié)以及強(qiáng)化記憶手術(shù)操作步驟，解決當(dāng)下醫(yī)學(xué)院校教學(xué)過程中因教學(xué)樣本不足而導(dǎo)致學(xué)生體驗不足、操作生疏等問題。

2 3D手術(shù)操作練習(xí)模擬器的設(shè)計與開發(fā)

2.1 VR技術(shù)簡介

VR技術(shù)是利用計算機(jī)模擬生成一個逼真的虛擬環(huán)境，使用者可以通過使用頭盔、數(shù)據(jù)手套等不同類型的傳感設(shè)備，為使用者提供視覺、觸覺、聽覺等感官上的模擬體驗。VR技術(shù)發(fā)展至今，被多方面運(yùn)用于影視娛樂、文物保護(hù)、科研教學(xué)、安全消防等各個領(lǐng)域[2]。

2.2 模擬器的優(yōu)勢

材料齊全，成本低。一方面解決當(dāng)下醫(yī)學(xué)院校教學(xué)過程中因教學(xué)樣本不足而導(dǎo)致學(xué)生體驗不足、操作生疏等問題;另一方面可以解決學(xué)校實驗室空間不足、學(xué)生眾多的矛盾，可以為學(xué)校節(jié)省大量的實驗室開支。

2.3 模擬器的設(shè)計內(nèi)容

首先從現(xiàn)有醫(yī)學(xué)圖像庫中選取合適的人體模型。體驗者能夠看到一個活生生的人。然后手動建立起人體內(nèi)部各個系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，讓體驗者能夠在實驗過程中有真實畫面和現(xiàn)場氛圍，操作手感以及操作的練習(xí)效果。最后建立一個專門測試模擬器實驗結(jié)果的軟件，其內(nèi)容分為：產(chǎn)品展示功能模塊，操作部位選項，測評實驗結(jié)果，校正實驗操作等功能。

2.4 建立人體模型

2.4.1 獲取人體實質(zhì)器官的圖像數(shù)據(jù)

人體實質(zhì)器官包括器官實質(zhì)以及若干組件。采用醫(yī)用的CT或MRI醫(yī)學(xué)圖像采集設(shè)備掃描實體的人體的實質(zhì)器官，以獲取人體實質(zhì)器官的圖像數(shù)據(jù)[3]。

2.4.2 根據(jù)人體實質(zhì)器官的圖像數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)建立其三維數(shù)字模型

根據(jù)人體實質(zhì)器官的CT或MRI圖像數(shù)據(jù)，建立人體實質(zhì)器官的三維數(shù)字模型。在通過醫(yī)學(xué)圖像采集設(shè)備對人體實質(zhì)器官進(jìn)行掃描后，可將獲取的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到醫(yī)學(xué)三維處理軟件中進(jìn)行三維重建，以建立人體實質(zhì)器官的三維數(shù)字模型[4]。

2.5 建立VR系統(tǒng)

一般的VR系統(tǒng)主要由專業(yè)圖形處理計算機(jī)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入設(shè)備和演示設(shè)備等組成，即人們可以通過視覺、聽覺、觸覺等信息通道感受到設(shè)計者思想的高級用戶界面。一般的VR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

硬件平臺：

由于虛擬世界本身的復(fù)雜性及計算實時性的要求，產(chǎn)生虛擬環(huán)境所需的計算量極為巨大，這對中心計算機(jī)的配置提出了極高的要求。目前，國外的VR系統(tǒng)一般配有SGI或SUN工作站，大型的VR系統(tǒng)，采用的是計算機(jī)并行處理系統(tǒng)。當(dāng)前的研究趨于桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，它價格較低、易于實現(xiàn)同時又能滿足VR的部分特征要求，因而將會得到更為廣泛的應(yīng)用。

軟件系統(tǒng)：

軟件系統(tǒng)是實現(xiàn)VR技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。VR技術(shù)在國外的應(yīng)用比國內(nèi)早，目前具有代表性的桌面VR技術(shù)有：Web3D中的X3D、VRML、Java 3D、Cult3D Viewpoint、Atmosphere，以及應(yīng)用于服務(wù)器上的Superscape VRT、EAI Sense 8 World ToolKit、MPI Vega等，它們?yōu)閂R技術(shù)在虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用提供了工具。本發(fā)明構(gòu)建一種基于VR技術(shù)的醫(yī)療手術(shù)模擬仿真系統(tǒng)，其中包括：（1）場景構(gòu)建單元：在虛擬環(huán)境區(qū)域調(diào)取數(shù)據(jù)庫存儲單元內(nèi)的數(shù)據(jù)信息將每個醫(yī)療手術(shù)對應(yīng)的全部操作過程進(jìn)行圖像視頻編輯，該過程包括手術(shù)過程需要的醫(yī)療器械名稱、醫(yī)療器械的數(shù)量、在實際操作過程中醫(yī)生的操作姿勢所述場景構(gòu)建單元包括編輯單元，所述編輯單元將多種手術(shù)正確的操作狀況信息進(jìn)行編輯后存儲在存儲器內(nèi)[5]。（2）虛擬現(xiàn)實成像單元：包括佩戴在醫(yī)護(hù)人員頭部上的VR成像模塊、佩戴在醫(yī)護(hù)人員手上的數(shù)據(jù)信息檢測手套，所述VR成像模塊包括3D眼鏡和與該眼鏡配合使用的立體耳機(jī)以及檢測醫(yī)護(hù)人員在模擬手術(shù)過程中的唇動信息的啟動檢測模塊，所述虛擬現(xiàn)實成像單元還包括校正模塊。其中校正模塊可以有效指出實驗操作的錯誤過程和失誤細(xì)節(jié)，并給出準(zhǔn)確的操作方案。圖2所示是醫(yī)療手術(shù)模擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3 模擬器的使用

3.1 模擬器使用的流程圖（如圖3）

3.2 落實到校內(nèi)課程的具體使用，調(diào)試產(chǎn)品的穩(wěn)定性，了解師生使用建議，優(yōu)化產(chǎn)品學(xué)生實驗課程每個學(xué)時為40分鐘，而實驗是由每組4到5名同學(xué)共同完成的。據(jù)統(tǒng)計，大多數(shù)虛擬實驗可以在10到15分鐘內(nèi)完成，使用3D虛擬技術(shù)，教學(xué)不僅節(jié)約師生的時間，同樣可以使每位同學(xué)熟識實驗的每個細(xì)節(jié)。學(xué)生親自動手在虛擬空間內(nèi)，觀察不同藥物、不同劑量、不同操作對手術(shù)結(jié)果的影響，實驗操作過程基本不受時間限制。

通過本模擬器的使用，整個實驗過程不僅記錄了實驗數(shù)據(jù)，還保留了現(xiàn)實實驗過程中的圖片信息以及多種可能性數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果與結(jié)論

本論文在指導(dǎo)老師確認(rèn)可行性的前提下，團(tuán)隊成員多方面地去了解虛擬現(xiàn)實技術(shù)的內(nèi)容和特點。基于對手術(shù)模擬領(lǐng)域中極具代表性的Mentice公司的MIST-VR的深入了解，與現(xiàn)所學(xué)專業(yè)知識相結(jié)合，掌握了其中的相關(guān)的理論基礎(chǔ)和實際操作意識，為本論文奠定了扎實的基礎(chǔ)。模擬器開發(fā)的意義在于加強(qiáng)鞏固各種手術(shù)操作的細(xì)節(jié)以及強(qiáng)化記憶手術(shù)操作步驟，解決當(dāng)下醫(yī)學(xué)院校教學(xué)過程中因教學(xué)樣本不足而導(dǎo)致學(xué)生體驗不足、操作生疏等問題。在虛擬場景中精確模擬手術(shù)操作，從而最大程度對醫(yī)學(xué)生起到手術(shù)訓(xùn)練和和術(shù)前模擬的臨場效果體驗。

我們設(shè)計的基于VR技術(shù)的3D手術(shù)模擬器，使用者使用時可以親身體驗到真實的手術(shù)中去，從視覺，聽覺，觸覺，以及嗅覺上都讓使用者去感覺到真實的存在和真實的觸感，盡量做到完美，這樣模擬器才更具有實際意義，使得模擬器更具有價值，讓使用過的使用者真實的獲得手術(shù)操作的經(jīng)驗，不僅省了稀有的現(xiàn)實材料，還大大的提高了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)生的技術(shù)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]普恩特泰合（武漢）醫(yī)療科技有限公司.一種基于VR技術(shù)的手術(shù)虛擬練習(xí)裝置：CN201821251773.7[P].2019-06-18.

[2]鐘元權(quán)，張裕生.基于VR技術(shù)的機(jī)器人離線編程技術(shù)研究[J].山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報，2019，36（05）：36-40.

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[4]四川英捷達(dá)醫(yī)療科技有限公司.適用于人體器官的3D模型制備方法：CN201810139373.5[P].2019-08-23.

[5]大連文森特軟件科技有限公司.一種基于VR技術(shù)的醫(yī)療手術(shù)模擬仿真系統(tǒng)：CN201610891628.4[P].2016-12-21.