虚拟现实技术在医学手术仿真训练中的应用

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［文章编号］１００５—１１３９（２００２）０１—００７７一ｏ３　

虚拟现实技术在医学手术仿真训练中的应用　

谭珂　，郭光友　．王勇军。，昊鹏　（１　解放军息医院教育技术中心，北京１００８５３；２　国防科大计算机学院。长沙４１００７３）　

［关键词］计算机用户接口；多媒体；外科手术　［中圈分类号］Ｒ８５７，３　［文献标识码］Ｂ　虚拟现实技术（ｖｉｒｔｕａｌ　ｒｅａｌｉｔｙ，简称ＶＲ）是指通　过多媒体技术与仿真技术相结合生成逼真的虚拟环　境，使用户以自然的方式与环境中的客体进行体验　和交互，从而产生身临其境感受的一种技术　创建　和体验这种虚拟环境需要包括计算机图形学、图像　处理和模式识别、ＡＩ技术、智能接口技术、心理学、　多传感器技术、语音处理和音响技术、网络技术、并　行处理技术和高性能计算机系统等。虚拟现实技术　现已逐渐从实验室走向实际应用，目前，在军事、航　天、医学、教育、商业和自动控制等领域有着广阔的　应用前景，日益显示出巨大的社会和经济效益的潜　力，而医学教育和仿真训练是虚拟现实技术应用的　一个重要领域。　１　ＶＲ在医学手术仿真训练中的意义　虚拟现实在医学上的应用起源于医务人员对复　杂的三维医学解剖体数据的可视化需求，进而发展　到能对可视化的数据进行实时操作，从而建立可供　手术和手术前规划使用的虚拟环境　在医学手术教　学和仿真训练等方面，虚拟现实技术有着不可替代　的和令人鼓舞的应用前景　运用该技术可以使医务　工作者沉浸于虚拟的场景内，体验并学习如何应付　各种临床手术的实际情况，可以通过视、听、触觉感　知并学习各种手术实际操作。这样大大的节约了培　训医务人员的费用和时间，使非熟练人员实习手术　的风险性大大降低，并利用专家学者的手术经验和　实例对年轻医生特别是小医院、边远地区医院的医　生进行培训，这对提高医学教育与训练的效率和质　量以及改善我国医学手术水平发展不平衡的现状有　着非常重大的意义。　

［收蔫日期］２ＯＯｌ　１１－１３　［惨回日期］２ＯＯｌ　１　２．１ｏ　［作者简介］谭珂（１９７３）．男（蒙古族），胡南长沙市＾．中科院在读　硕士，工程师｛发表论文１Ｏ篇。电爵：（ＯｌＯ）６６９３＂６０５８　・７７・　

２国内外的现状及分析　目前与医学相关的虚拟现实应用主要包括：手　术、内窥镜检查和放射外科等。其中，虚拟医学手术　仿真训练是一种技术难度较大的应用。与其它虚拟　现实应用相比，它的特点是：①虚拟场景复杂；需要　产生多层次、多种形态、相联关系复杂的三维虚拟人　体组织；②人机交互性强，要求定位和反馈精确度　高。　当前，国外已经有许多研究机构和商业公司对　医学虚拟现实尤其是在虚拟医学手术仿真训练等方　面都进行了一定的研究和实践。如美国达特茅斯医　学院开发的“交互式多媒体虚拟现实系统”。对于手　术训练方面处于较前沿的是美国波士顿力学研究中　心，他们采用的方式是利用偏振眼镜观看场景、虚拟　手术器械模拟操作，另外还有加利福尼亚的旧金山　大学外科系与伯克利学院的电子工程与计算机科学　系对虚拟腹腔手术的研究等项目　在国内，大部分的研究工作集中在对医学图像　的三维重建及其可视化等基础技术方面，清华大学　和浙江大学等院校及研究单位在基于计算机图形学　的医学图像三维可视化算法研究领域也取得了较大　的成果。　３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（如实时形变　等）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；④多种不同来源的三维医学影像数　维普资讯 http://www.cqvip.com ・７８・　据的融合和复杂模型的ＬＯＤ模型优化等技术尚有　待发展；⑤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。　４虚拟医学手术仿真训练的技术实现　４．１医学图像三维重建　４．１．１医学图像可视化　对医学图像的三维重建　主要是为了实现医学图像可视化。这属于科学计算　可视化的研究范畴，在该领域被称为三维标量数据　场可视化技术。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：一类　是通过抽取中间面的表面绘制技术；一类是基于体　元的体绘制技术。这两类可视化技术的结构如图１　所示。　

圈１可视化技术的结构　Ｆｉｇ　１　Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　０ｒ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏＩｏｇｙ　１　ＳａｍｐＩｉｎｇ　ｄａｔａ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ：２．３Ｄ　ｒｅｂｕｉｌｄｉｎｇ｝３　Ｐｉｃｋ—　ｉｎｇ　ｕｐ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅ　ｆａｃｅ￣４　Ｔ…ｓｆｏｍ　ｏｆ　３Ｄ　ｓｃａｎ｛５．Ｄａｔａ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ￣６．ＶｏＩｕｍｅ　ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ｛７　Ｓｕｄａｃｅ　ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ　４．１．１．１通过抽取中间面的表面绘制技术　主要　包括：基于二维轮廓线的断层扫描线表面重构和基　于单元网格结构的等值面抽取等。　４．１．１．２基于体元的体绘制技术　体绘制技术直　接基于体元绘制，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。　４．１．２医学图像分段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　燕　羔　ｚ　Ｍａｒ．２３（１）　

出来，人们对医学图像的分段技术进行了研究。　４．１．２．１　二维图像的轮廓线技术　三维重建的数　据源通常是一组一定问隔扫描获得的二维图像（如　ＣＴ图片），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。　４．１．２．２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，以获得所需的分段阕值。　４．２虚拟人体组织器官的物理建模　４．２．１　自由体变形方法（ＦＦＤ）　Ｉ９８６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ＦＦＤ不能模拟局部的变形。　４．２．２基于物理学的变形模型（ｐｈｙｓｉｃａｌｌｙ　ｂａｓｅｄ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）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。　４．３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。　５虚拟现实技术在医学手术仿真训练中的应用　虚拟现实技术在医学手术仿真训练领域有着广　泛的应用前景，其具体应用主要有以下几个方面。　５．１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。　５．２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　维普资讯 http://www.cqvip.com 焉　怠　盖　ｚ　Ｍ　２３（１）　

模拟治疗的结果，进行评判。　５．３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。　我单位通过分析、论证，并根据现代化医学教　育、训练的需要，现正在进行“虚拟鼻腔镜手术仿真　训练系统”的课题研究工作。我们通过对临床手术　实际情况的分析，结合我院手术的丰富经验，采用了　冰冻切片的二维图像轮廓提取的数据分段方法进行　器官的三维重建、建立虚拟人体模型（包括行为模　型），利用笔杆式力反馈器模拟手术窥镜和手术刀的　・７ｇ・　运动、触觉．产生一个六自由度的力量感知空间，当　手术刀自由运动时，操作者可以感觉到手术刀在皮　肤上操作产生的高频力量成分，这样可以很好的模　拟出手术器械的较小的惯性和摩擦力，解决了仿真　手术中最难解决的切割力和摩擦力的问题　用这种　方法创建的虚拟鼻腔镜手术仿真训练系统，可以较　真实的虚拟出一个“手术环境”，使手术学习者体验　并学习如何应付各种情况，这样可以节约大量的训　练费用，如尸体解剖费、实习费等，并降低了手术风　险。　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、台作治　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　

［文章编号］１００５—１１３９｛２００２】０１—００７９　０１　疑似左肾上腺瘤的脾动脉瘤１例　

李雅静　，窭京涛　（１、唐山市钢铁公司医院内分泌科，河北省０８３０００；２．解放军总医院内分泌科．北京１００８５３）　［关ｔ词］肾上腺；动脉瘤　［中图分类号］Ｒ５４３．５　［文献标识码］Ｅ　１临床病例男性患者，６２岁．因发现血压高、左肾上腺占　位３年于２０００年９月２０日＾院。患者１９９７年体检时测　血压高达２４．０／１２．０　ｋＰａ，稍有头晕，诊断“高血压病”，口服　降压药后血压能降至２０．０／１０．０　ｋＰａ，当地医院行腹部ＣＴ　检查示左侧肾上腺占位，未治疗。后困血压反复阵发性升高　而来我院．行肾上腺ＣＴ扫描提示左侧肾上腺区可见～５．７　ｃＪｉａ，×４．４　ｃＪｉａ，的娄圆形轼组织髟　边界清晰．密度均匀　查　体：血压２０．０／１２．０　ｋＰａ　体型中等，无特异性阳性体征．实　验室检查示血钾３．８　ｍｍｏ］／Ｌ，血钙２．３Ｏ　ｍｍｏｔ／Ｌ；血醛固　酮：卧位２１９．８　ｐｍｏｔ／Ｌ，立位７２５．０　ｐｍｏｌ／Ｌ；血浆血管紧张　素Ⅱ：卧位　Ｏ　ｎｇ／Ｌ，立位７３．２　ｎｇ／Ｌ￣血浆肾素活性：卧位　１．１７　ｇ／（Ｌ－ｈ），立位３　３３　ＦＬｇ／（Ｉ　・ｈ）；血浆ＡｃＴＨ　０点　［收藕日期］２００１—０９　２４　［修回日期］２００１—１０　０　９　［作者俺升］李雅静（１９７０），女．河北省唐山市人．１ｇ９３年张家ｎ医　学院大学毕业，军医进修学院２００１届进修医师　电话：（０３１５）　２８３ｌ２３ｉ　３、３　ｐｒｏｏｆ／ｌ　（正常值０～ｌ０．２　ｐｍｏｌ／Ｌ），８点　８．２　ｐｍｏｌ／Ｌ　（正常值５、５～１５．０　ｐｍｏｌ／Ｌ）；血度质醇０点９ｌ＿５　ｎｍｏｌ／Ｌ　（正常值０～１６５．７　ｎｍｏｌ／＇Ｌ）．８点５９４．５　ｎｍｏｔ／Ｌ（正常值　１９８．７４７９７．ｊ　ｎｍｏｔ．／Ｌ）＝３次２４　ｈ尿儿茶酚胺（ＣＡ）、３甲　氧基一４羟基一扁桃酸（ＶＭＡ）均正常　诊断：①左肾上腺无功　能瘤；②高血压病。于２０００年１０月１９日在全麻下拟行左　肾上腺腺瘤摘除术，术中在左肾上腺区未发现肿瘤，肾上腺　正常，于脾脏内侧，主动脉左侧发现一肿物，大小５　ｃｍ×４　ｃｍ×４　ｃｍ，触之搏动明显．考虑为脾动脉瘤，行脾动脉结扎　术：　２讨论　肾上腺无功能瘤患者通常无临床症状，也无生化　异常，多在Ｂ超或ＣＴ检查腹部时偶然发现，常见于老年肥　胖或有高血压的病人，近来，由于ＣＴ的广泛应用，捡出率明　显增加。该患者有高血压病史，肾上腺ＣＴ平扫示肾上腺占　位，生化检查显示无内分辨激素异常，拟诊为左肾上腺无功　能瘤，但手术中并未见病灶，证实为脾动瘤。此病例提示对　临床怀疑为肾上腺区占位病变的患者，应进一步行肾上腺增　强ｃＴ扫描，以陈外血管畸形．