虚拟现实技术应用在医学手术仿真

虚拟现实技术应用在医学手术仿真

1.前言

目前，VR技术在医学领域中有着广泛的应用，如远程和本地手术、手术计划、医生教育和手术训练、恐惧症和其他心理疾病的治疗、病人康复和技能训练、减轻疼痛等等[1]。它也被用在大规模医学病历的可视化上，以及用在医疗设施的建筑规划上。某些应用在一些发达国家已取得了很大的进步，如在仿真内窥镜、模拟手术、医疗培训和智能决策系统研制等方面，无论是在理论研究还是实际应用方面都取得了相当的成果。在医学手术仿真人体解剖图谱，要求所显示的器官形状、位置、颜色、动态效果非常精确和逼真。这就对图形图像处理技术提出了更高的要求、要涉及到图像分割、图像配准、图像显示、图像形变等一系列技术。由于VR数据量很大，精度要求非常高，并且要动态显示，因此对计算机的速度和存储容量都有很高的要求。当今的计算机技术已经能够生产出功能强大的计算机，为虚拟现实的应用提供了硬件的条件。在VR系统中，为了修改虚拟环境的状态，需要使用各种激励器模拟产生人的各种感觉，再用传感器收集它们的反馈信息，这些信息反映了VR环境的变化。总之在医学仿真训练是虚拟现实技术应用的一个重要领域。

2.当前虚拟医学手术仿真训练的技术难点

随着计算机技术、传感器技术的飞速发展，虚拟医学手术仿真训练的研究在模型实时显示、器官组织纹理的制作、碰撞检测与定位和触觉传感等方面已经取得了一定的进展，并已有个别的成型系统研制成功，但当前虚拟医学手术仿真训练的研究还需解决如下技术难点：1.仿真的逼真性较低，主要原因是虚拟人体组织的精确解剖结构和实时显示算法仍有待改进；2.虚拟组织的各种行为模型的建立还不够完善和真实；3.多通道感觉的缺乏，目前研究大多集中于视觉虚拟，对其他感觉通道如听觉、触觉等较为缺乏，而在医学手术中力的反馈是非常重要的据的融合和复杂模型的LOD 模型优化等技术尚有待发展；4.由于西方人种与黄色人种在生理结构上有一定的差异，国外人体模型并不能完全适应我国的需要。因此，目前还没有适合于我国虚拟手术用的人体模型。

3.虚拟医学手术仿真训练的思路

3.1医学图像的三维重建

对医学图像的三维重建主要是为了实现医学图像可视化，它是虚拟手术技术的实现基础。目前三维标量数据场可视化技术主要分为两类[2]：一类是通过抽取中间面的表面绘制技术；一类是基于体元的绘制技术，基于体元的体绘制技术能显示对象体丰富的内部细节。目前实现数据场体绘制主要有两种策略：直接对三维离散数据场作体绘制；从三维离散数据场重构出连续数据场，再对连续数据场进行重采样并绘制图像。为了获得局部的人体组织器官模型，需要将感兴趣的区域从医学图像中分离出来，人们对医学图像的分段技术进行了研究。三维重建的数据源通常是一组一定间隔扫描获得的二维图像，将每张图片上相同组织的轮廓提取出来，然后将产生的图片堆叠起来构成三维二进制图像。最后再采用可视化技术进行三维重建，从而获得感兴趣的组织器官的模型。体数据的分段对于体数据的分段，有一个简单的技术是采用阈值方法，只有光强大于该阈值的像素点才被显示。而另外一个更通用的方法是采用图像处理中的边缘检测技术( 如卷积等) 或综合对数据集进行过滤处理，以获得所需的分段阈值。

3.2虚拟人体组织器官的物理建模

1986 年，人们提出了自由体变形方法，该方法的思想是通过变形物体所在的空间而实现物体的变形。其第一步是计算物体顶点在格子中的位置，然后格子在控制点的运动下产生形变。但它不能模拟局部的变形，基于物理学的变形模型体现物体在内外力的作用下产生形状上的变化。其中，外力包括重力、碰撞产生的排斥力等；内力包括弹性力和非弹性力。虚拟手术器械与虚拟组织器官的碰撞检测和力反馈手术操作是非常精细的工作，要求较为精确的力反馈。在虚拟手术过程中，碰撞检测是力反馈、组织变形的前提，因此是非常重要的。而基于bbox 的算法由于其计算量小、实时性高的特点，被虚拟现实领域广泛采用。在虚拟手术操作中，可根据力学的弹性方程用计算机软件来实现对虚拟手术器械的机电部分的控制，再反馈在虚拟手术器械上。由于人体的手部的触觉非常敏感所以对于力反馈中的定位精度和曲线力觉变化均有较高的技术要求。需要定位精确的手术传感器械和比较复杂的弹性模型。

4.虚拟现实技术在医学手术仿真训练中的应用

人体解剖结构教学通过虚拟现实技术建立起人体结构模型，可以使学生通过人机交互对人体模型进行浏览，在模型内部“漫游”，能让学生非常直观、轻松学习解剖结构[3]。医疗手术方案和治疗效果预测对于病灶，可以在虚拟模型上进行方位的显示，依据其方位和虚拟系统中的专家库资料，制定手术和治疗的方案，或模拟治疗的结果进行评判。虚拟手术操作教学虚拟手术操作教学是虚拟现实技术在医学手术仿真训练中最重要的应用。运用该技术可以使医务工作者沉浸于虚拟的场景内，通过视、听、触觉感知等多种感官了解和学习各种手术实际操作，对于年轻医生而言，可以经过在计算机上进行多次的手术仿真训练，再上真正的手术台，这样大大的节约了培训医务人员的费用和时间。由于虚拟手术仿真训练系统具有低代价、零风险、多重复性、自动指导的优点，可以迅速高效的提高学习者的手术及其他操作的技能。

5.总结

总之，通过对虚拟医学手术仿真训练的研究与应用，将使虚拟现实技术逐步在医院和高等医科院校的教学和训练中应用推广，并向更多更复杂的典型外科手术和其他领域扩展，如：远程手术、合作治疗、战场救护等。该项技术具有广阔的发展和应用前景，并将为提高我国医学手术规模和医疗水平作出重大的贡献。

参考文献

[1]熊庆文. 虚拟现实技术在数字化医学图像处理中的应用[D]. 电子科技大学, 2003.

[2]谭珂, 郭光友, 王勇军,等. 虚拟现实技术在医学手术仿真训练中的应用[J]. 解放军医学院学报, 2002, 23(1):77-79.

[3]吴奇, 程薇曦. 虚拟现实技术在医学手术中的实现与应用[J]. 重庆医学, 2008, 37(21):2489-2491.