虛擬現實技術在微創外科手術學的應用

謝文，劉勝林，孔維佳，張佳華

華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院 生物醫學工程教研室， 湖北 武漢430022

虛擬現實技術在微創外科手術學的應用

謝文，劉勝林，孔維佳，張佳華

華中科技大學同濟醫學院附屬協和醫院 生物醫學工程教研室， 湖北 武漢430022

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

虛擬現實技術；微創外科手術；虛擬手術系統；臨床教學

0 引言

虛擬現實技術是一種通過交互式計算機模擬真實世界的人機界面技術。在醫學領域，虛擬現實技術與現代外科手術學結合產生了虛擬手術系統，為外科手術的教學以及手術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。虛擬手術系統集計算機技術、傳感器技術、生物力學、現代醫學、圖像處理、虛擬可視化以及生物醫學工程技術于一體，為醫生提供一個模擬真實手術操作過程中可能遇到的各種現象的虛擬現實系統。虛擬手術系統的研究和開發為醫生提供了可反復使用的訓練和教學工具[1]，可以應用于手術前規劃與演練、手術中的導航以提高手術成功率以及與網絡技術結合進行遠程手術等。

虛擬現實的終極目標就是真實的體驗和自然方便的人機交互。虛擬現實就是要利用各種先進的硬件技術及軟件工具，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生成的虛擬世界。

近二十年，計算機信息技術和數字影像技術與傳統醫學的融合，不斷推動著外科手術向微創化發展，各種新技術的出現已使外科學的發展進入了一個新的微創外科時代。大多數微創外科手術是經過監視器或顯微鏡間接觀察手術視野，而在這種視覺下的操作極大地影響了術者的立體深感覺與觸覺力反饋，增加了手眼協調性的難度，因此微創手術對外科醫生的手術技能提出了新的要求，如在監視器或顯微鏡下進行手術要求更高的眼手協調性、手術器械操作熟練性以及對手術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系統進行研究，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，外科學進入到微創手術顯微時代，虛擬現實技術已被證實為一種培訓年輕醫生手術技能的有效方法，一個完整的虛擬手術系統能夠實時顯示逼真手術場景，具有手術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 虛擬手術系統的三維模型構建

虛擬手術系統中，虛擬手術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據來建立手術區域器官組織幾何模型；隨著醫學成像技術的進步，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[4]，直接生成適合虛擬手術系統的幾何模型[9,10]。

醫學圖像三維重構一般分為人體醫學圖像的獲取、等值線信息的抽取、簡化等值線、拓撲重構、幾何重構五個步驟。其中拓撲重構和幾何重構是整個醫學圖像重構的關鍵。拓撲重構采用構造分類圖來表示層間輪廓線的拓撲關系，是整個斷層重構的基礎。幾何重構有面向曲面的重構和面向體的重構，曲面重構能快速繪制物體表面但卻丟失了內部結構信息，體重構計算復雜而速度較慢，但能顯示豐富的內部結構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部的相應信息，因此，在虛擬手術系統中一般采用體重構。

在三維重建過程中首先是對手術解剖部位的圖像分割，準確和快速的圖像分割技術是虛擬建模的基礎。現代醫院臨床上的高分辨率CT和MRI很多自帶有三維重構的圖像分析軟件，但對一些組織器官的分割重建還不夠精確，特別是大多數微創手術中的顯微結構。我們在實際建模中，先采用CT和MRI自帶的重構軟件自動快速識別出手術解剖部位的大體位置和結構，再結合人工辨識微小結構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構。

2 虛擬手術系統的功能設計

虛擬手術系統因其能逼真地演繹微創外科手術的環境和操作的過程，對手術訓練和教學有很高的應用價值，年輕的醫學生通過模擬系統掌握手術部位解剖結構、熟練使用各種器械、反復練習基本手術技能。

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

由于手術操作是精細復雜的過程，對虛擬手術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器械的移動、旋轉等相應動作。虛擬手術過程器械和組織之間的接觸應根據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器械會發生表面形變，需要通過計算碰撞表面的位點改變重新繪制圖形。

3 虛擬手術系統的應用

目前，虛擬現實技術已被證實為一種培訓年輕醫生手術技能的有效方法，因此建立相應的手術虛擬現實模型以及外科學培訓系統平臺也越來越得到醫學與工程專家的共識。隨著計算機技術的發展，模擬系統集成觸覺力反饋裝置的成本也越來越低，已經有越來越多的大學及教學醫院開始應用虛擬手術系統進行對初學者的培訓[7,8]。受訓者在經過相應的課程學習和操作訓練后，對培訓項目的技術掌握，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驗的醫生也有一定的幫助[5]。因為虛擬系統的使用者可以反復操作整個任務程序，全面的完成手術過程，處理真實手術過程中可能發生的常見緊急情況，從而得到與真實手術室環境下相類似的手術技能。

例如在臨床上，耳鼻喉頭頸外科醫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構的關系[6]，因此基于虛擬現實技術的耳顯微外科仿真系統研究對于培養年輕醫師的手術操作技能，以及患者實際手術前的預測與術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實技術開發專門外科手術虛擬系統，不僅可以在逼真的虛擬環境下體驗和學習手術中各種實際情況與處理操作，還可以通過網絡通信進行計算機遠程教學與手術會診指導治療，具有真正意義上的臨床實用價值。

4 虛擬手術系統的未來發展

正是由于虛擬手術系統廣闊的應用前景，虛擬現實技術在醫學領域得到了更多的重視。未來虛擬手術系統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，如現在已有部分學者提出的對外科手術過程進行術前模擬并制定個體化的最佳手術策略。

未來虛擬現實技術將融入到數字化手術室，與眾多的先進數字化技術一起為醫生與患者帶來更多安全和便捷。基于網絡的虛擬現實技術將實現應用程序的遠程共享，在虛擬現實的網絡環境中，外科手術醫生不僅可以進行各種專科手術的培訓和練習，還可以實現相距很遠的不同外科專家像在同一手術臺上一樣，共同完成一臺復雜的手術。

[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于X線攝影，能提高惡性病變的檢出率。科研人員移植了CT螺旋掃描和強大后處理功能包括多平面重建、表面重建、容積再現及最大密度投影等技術，羅徹斯特大學醫學中心（URMC）的Ruola Ning教授等發明了錐形束乳腺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的乳房X光攝影好，基于平板探測器的乳腺錐束成像技術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字乳房斷層合成（DBT）更優越，錐形束CT能徹底改變乳房的乳腺癌篩查[14]。2008年7月，加利佛尼亞大學戴維斯分校醫學中心約翰·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可望在未來的3~4年內投入臨床使用。

（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