虛擬現(xiàn)實技術在虛擬手術上的應用

摘 要：虛擬現(xiàn)實技術是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，作為一門新興學科，其在醫(yī)學領域的應用前景令人矚目，現(xiàn)已在醫(yī)學應用上具有十分重要的現(xiàn)實意義。本文首先簡單介紹了虛擬現(xiàn)實技術的產(chǎn)生與發(fā)展，然后詳述了虛擬現(xiàn)實技術在虛擬手術上的應用及其所用到的技術方法，最后總結了虛擬現(xiàn)實技術在虛擬手術上的發(fā)展，并對其今后的發(fā)展做出了展望。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實；虛擬手術；數(shù)據(jù)可視化；碰撞檢測技術；微創(chuàng)手術

虛擬現(xiàn)實（virtual reality，簡稱VR），又被稱為視覺模擬（Visual Simulation）。它最初用于美國的軍事作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)，80年代中期VR一詞第一次被VPL Research公司的奠基人Jaron Lanior提出，該公司生產(chǎn)了頭盔式三維顯示裝置和“數(shù)據(jù)手套”等一系列虛擬現(xiàn)實的關鍵輔助工具，通過這些工具將需要的信息傳遞給計算機[ 1 ][ 2 ]。直到20世紀90年代末這項技術才逐漸進入大眾視線并在各行各業(yè)：軍事，教育，工業(yè)，娛樂媒體等等得到進一步的發(fā)展，尤其促進和推動了醫(yī)學事業(yè)的發(fā)展。

虛擬現(xiàn)實是一種多元信息融合的新型人機交互設備，人們可以通過人體的各種感知通道，例如視覺，聽覺，觸覺，甚至味覺，嗅覺和平衡感，超失重感，加速度感等物理反應來感知計算機模擬的虛擬世界。目前，虛擬現(xiàn)實技術已經(jīng)廣泛地應用于手術模擬、醫(yī)學教學、心理治療、遠程醫(yī)療、輔助診斷、訓練系統(tǒng)等方面。但是由于技術上的局限性，這些應用多是采用一種特殊結構的簡化模型，或者是基于預處理原始圖像的，并且有些儀器設備實用性并不是太好，所以目前為止還仍然沒有一種VR系統(tǒng)能夠完全用于具體的臨床應用[ 3 ]。

本文將從四個方面來介紹虛擬現(xiàn)實技術在虛擬手術上的應用：虛擬手術中的技術、虛擬手術的應用、虛擬手術的發(fā)展及其前景展望。

1 虛擬手術中的技術

1.1 醫(yī)學數(shù)據(jù)的可視化技術

醫(yī)學體數(shù)據(jù)可視化是指利用計算機圖形學和圖像處理技術，通過人機交互將醫(yī)學體數(shù)據(jù)在三維空間上生成人體組織內(nèi)部的復雜結構的技術，從而使醫(yī)生做出更加精確的診斷[ 4 ]。體數(shù)據(jù)的可視化基于繪制算法和分類算法，李潞在《三維醫(yī)學數(shù)據(jù)體繪制的傳輸函數(shù)設計方法研究》中提出了基于動態(tài)的M-| Δf |統(tǒng)計直方圖的傳輸函數(shù)設計，很好的減小了CT影像中的噪聲干擾。

1.2 碰撞檢測技術

碰撞檢測和切割操作是虛擬手術仿真最核心最基本的問題。當一個醫(yī)療設備檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認為至少有兩個儀器同時在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)生了碰撞。在發(fā)生碰撞的時候，傳輸信號產(chǎn)生了嚴重的失真，無法從中恢復出有用的信息來。每一個正在發(fā)送數(shù)據(jù)的設備，一旦發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了碰撞，就立即停止發(fā)送，以免浪費資源，等待一段時間后再次發(fā)送。檢測是否有碰撞發(fā)生并且精確計算出碰撞發(fā)生的位置是虛擬環(huán)境中碰撞檢測的具體實現(xiàn)。

2 虛擬手術的應用

2.1 微創(chuàng)手術

1987年法國醫(yī)生Mouret偶然完成的第一例LC標志著新的醫(yī)學里程碑的誕生。微創(chuàng)概念由此形成。微創(chuàng)的發(fā)展是基于整個醫(yī)學模式的進步，是在“整體”治療觀帶動下產(chǎn)生的。微創(chuàng)手術創(chuàng)傷小、疼痛輕、恢復快，住院時間短，出血量少的優(yōu)越性實現(xiàn)了每個需要手術的病人的夢想。

隨著科學技術的發(fā)展進步，“微創(chuàng)”監(jiān)控系統(tǒng)從早期的內(nèi)窺鏡變成了采用介入的方式，如脊柱外科、膽道、骨科。20世紀90年代末研究出了導航系統(tǒng)這種新技術，在導航系統(tǒng)的輔助下，手術準確率大大提高，使患者的生命安全得以保障，減少了并發(fā)癥及后遺癥的出現(xiàn)。

目前，越來越多的傳統(tǒng)手術已經(jīng)獲得了革命性的成功，包括膽囊切除術、前列腺切除術、闌尾切除術、子宮切除術、腎切除術、冠狀動脈旁路移植術等。

3 虛擬手術的發(fā)展

隨著科學技術的發(fā)展，最初的計算機輔助手術系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，由原來的導航、觀摩形式，發(fā)展成為具有可操作、可交互的虛擬手術仿真系統(tǒng)。我國研究方向大多集中在三維仿真、三維繪制以及軟組織模擬等。上海交通大學 Med-X 研究院著重進行了手術導航和虛擬手術系統(tǒng)的研發(fā)，并且在理論研究領域上積累了一定的成果與經(jīng)驗。中科院自主開發(fā)的MITK 類庫（Medical Imaging Tool Kit），已經(jīng)成為國內(nèi)醫(yī)學手術領域的優(yōu)秀軟件工具。

4 總結與展望

4.1 總結

本文圍繞虛擬現(xiàn)實技術在虛擬手術上的應用這一主題，分別從虛擬手術中的技術，虛擬手術的應用，虛擬手術的發(fā)展及其未來展望四個方面進行了介紹，從而得出結論：在醫(yī)療手術的各個領域應用虛擬現(xiàn)實技術，可以節(jié)省大量的時間與資源，為救死扶傷事業(yè)提供了更完善，更安全的醫(yī)療服務體系。

4.2 展望

VR技術是多學科多領域互相交叉，滲透，融合的產(chǎn)物，其在虛擬手術上應用的終極目標是完善醫(yī)學實踐體系。未來可以利用虛擬現(xiàn)實技術的數(shù)據(jù)可視化技術模擬社區(qū)衛(wèi)生服務網(wǎng)絡，使社區(qū)衛(wèi)生服務機構與城市醫(yī)院協(xié)調(diào)發(fā)展，以此實現(xiàn)醫(yī)療資源配置的需要；再者，隨著社會的不斷發(fā)展，運用“互聯(lián)網(wǎng)”思維，基于云計算、大數(shù)據(jù)等新興信息技術，將互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)醫(yī)療服務業(yè)結合起來，將虛擬手術推廣發(fā)展到更多的臨床手術中，節(jié)省人力物力，減少手術過程中的失誤和意外。虛擬現(xiàn)實技術在虛擬手術及其他醫(yī)學方面將會啟著越來越重要的作用。

參考文獻：

[1] 鄒湘軍，孫健，何漢武，等.虛擬現(xiàn)實技術的演變發(fā)展與展望[J].系統(tǒng)仿真學報，2004，16（9）：1905-1909.

[2] 郭燕舞，柯以銼，楊志林，等.虛擬影像術前計劃系統(tǒng)在神經(jīng)外科的臨床應用研究[J].中華神經(jīng)醫(yī)學雜志，2005，4（12）：1222-1224.

[3] 左玲燕，楊鵬.虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學上的應用[J].醫(yī)學信息：醫(yī)學與計算機應用，2002（5），15（5）：260-261.

[4] 宋衛(wèi)衛(wèi)，李冠華，歐宗瑛.醫(yī)學體數(shù)據(jù)三維可視化技術[J]計算機工程與應用，2006，18：20-26.

作者簡介：張曉宇（1996-），女，山東濟寧人，本科，研究方向：計算機科學與技術。