虚拟手术

虚拟手术仿真系统是虚拟现实技术在医学领域的一个典型应用。虚拟手术是由医学图像数据出发，应用计算机图形学重构出虚拟人体软组织模型，模拟出虚拟的医学环境，并利用触觉交互设备与之进行交互的手术系统，如图1所示。虚拟手术系统，为医生提供一个虚拟的3D环境以及可交互操作平台，逼真的模拟临床手术的全过程。与传统的手术教学相比，虚拟手术具有无损伤性、可重复性和可指定性等优点。但是，该领域的大部分研究仅限于仿真的可视化阶段，由于缺乏触觉效果，医生在虚拟环境下完成的手术与临床环境差别很大。

建模方法

生物软组织是虚拟手术中一个重要的对象，其形变模型有：非物理模型、质量－弹簧模型、几何形变模型和有限元模型。其中质量－弹簧模型与有限元模型是在软组织力学建模方面应用最多的模型。

扩展阅读

[1] 刘笑宇. 角膜移植缝合作业的力学建模与仿真. 北京航空航天大学硕士学位论文，2008

[2] Sarah F, Gibson F. 3D Chain Mail: a fast algorithm for deforming volumetric objects. Proceedings of the Symposium on Interactive 3D Graphics, 1997: 149-154

[3] 左力, 李锦涛, 王兆其. 基于轴变形技术的实时人体肌肉变形. CAAI2002机器人感知与虚拟现实学术会议, 2002

[4] 张美超, 赵卫东, 原林等. 建立数字化中国男性一号膝关节的有限元分析. 第一军医大学学报, 2003, 23(6): 527

[5] 钱西汉, 王成焘. 个性化人工髋关节的多代理设计. 生物摩擦学与人工关节学术研讨会议论文, 2000

[6] 赵成龙. 虚拟手术中软组织建模与力反馈算法研究. 燕山大学硕士学位论文，2013

简介

现代科学技术的发展越来越体现多门学科的交叉和渗透。虚拟手术（Virtual Surgery-VS）作为正在发展起来的研究方向，是集医学、生物力学、机械学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机械力学、材料学、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域。其目的是：使用计算机技术（主要是计算机图形学与虚拟现实）来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，在时间段上包括了术前、术中、术后，在实现的目的上有手术计划制定，手术排练演习，手术教学，手术技能训练，术中引导手术、术后康复等。

虚拟手术这个研究方向目前正在逐步形成之中，与之相关的一些研究方向主要有：医学可视化（Medical Visualization），医学增强现实（Medical augmented Reality），医用机器人，手术模拟（Surgery Simulation），图象引导手术（Image Guided Surgery），计算机辅助手术（Computer Aided Surgery，Computer Assisted Surgery）等。我们认为使用虚拟手术（Virtual Surgery）这个名词更加能够充分体现虚拟现实（Virtual Reality）作为计算机图形学在医学治疗过程中的作用，充分体现了人机交互和真实感。国外也有称此方向为虚拟手术室（Virtual Operating Room）或医学虚拟现实（Medical Virtual Reality）。

虚拟手术是利用各种医学影像数据，利用虚拟现实技术在计算机中建立一个模拟环境，医生借助虚拟环境中的信息进行手术计划、训练，以及实际手术过程中引导手术的新兴学科。

研究背景

虚拟手术系统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，进而发展到能对重建的数据进行实时操作，以建立可供手术和手术前规划使用的虚拟环境。在手术教学和仿真训练等方面，虚拟手术系统有着令人鼓舞的应用前景。

传统的手术过程存在风险高，病人痛苦大，术后效果不理想等缺点，手术效果受医生个人业务水平影响很大。尤其是近年来外科整复手术成为热点，比如颅骨修补术、鼻梁整形术、颧骨整形术等。利用虚拟手术系统，医生可以在对病人实施复杂手术之前进行练习，把通过成像设备获取的病人图像导入仿真系统，医生可以对实际手术作出相应的规划，或者对病变缺损部位进行较精确的前期测量和估算，从而预见手术的复杂性。运用增强现实技术可以使医务工作者沉浸于虚拟的场景内，可以通过视、听、触觉感知并学习各种手术实际操作，体验并学习如何应付临床手术中的实际情况。这样节约了培训医务人员的费用和时间，使非熟练人员进行手术的风险性大大降低，对提高医学教育与训练的效率和质量以及改善医学手术水平发展不平衡的现状有着特殊的意义。

研究现状

随着技术的发展，最初的计算机辅助手术系统已经发展到可以针对不同的外科手术进行辅助计划，由原来的导航、观摩形式，发展成为具有可操作、可交互的虚拟仿真系统。日本及欧美国家一直在虚拟手术仿真领域处于领先地位。早在 1986 年，日本、美国和瑞士几乎同时开发了由交互式 CT 机组成的导航设备，这也就是最初的计算机辅助手术系统。国外除了知名研究机构如斯坦福大学，以及休斯顿国家医疗中心都有非常成熟的虚拟手术器械技术，虚拟显微镜技术以外，目前很多公司也在着手开发成型的手术模拟系统。此外，还有一些研究机构和商业公司也开发了许多辅助软件产品，其中比较著名的有 MIT 的 David T. Gering 等开发的 3DSlicer以及比利时 Materialise 公司开发的系列软件产品，它们将多种方式集中于一个系统环境中，可以实现配准，半自动的分割，表面模型生成，三维可视化和定量分析，并且可以实现术前的手术计划和术间的手术导航，并在临床中得到

了成功应用。

国内在计算机辅助手术系统的研究主要集中在科研院校和研究所，例如清华大学、浙江大学、上海交通大学、中国科学院自动化所等都成立了医学影像相关的实验室和研究院。研究方向大多集中在三维仿真、三维绘制以及软组织模拟等。

主要用途

◆ 手术方案能够利用图像数据，帮助医生合理、定量地制定手术方案，对于选择最佳手术路径、减小手术损伤、减少对临近组织损害、提高肿瘤定位精度、执行复杂外科手术和提高手术成功率等具有十分重要的意义。虚拟手术系统可以预演手术的整个过程以便事先发现手术中问题。虚拟手术系统能够使得医生能够依靠术前获得的医学影像信息，建立三维模型，在计算机建立的虚拟的环境中设计手术过程，进刀的部位，角度，提高手术的成功率。

◆ 手术教学训练80%的手术失误是人为因素引起的，所以手术训练极其重要。医生可在虚拟手术系统上观察专家手术过程，也可重复实习。虚拟手术使得手术培训的时间大为缩短，同时减少了对昂贵的实验对象的需求。由于虚拟手术系统可为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的训练环境，力反馈绘制算法能够制造很好的临场感，所以训练过程与真实情况几乎一致，尤其是能够获得在实际手术中的手感。计算机还能够给出一次手术练习的评价。在虚拟环境中进行手术，不会发生严重的意外，能够提高医生的协作能力。

◆ 术中导航与术中监护介入治疗是在手术过程中进行荧光透视法、超声、MR下，在图象的引导下进行定位。而虚拟手术的手术导航无须在介入环境下，将计算机处理的三维模型与实际手术进行定位匹配，使得医生看到的图象既有实际图象，又叠加了图形，属于计算机增强现实。如手术使用了第二种成像手段，例如内窥镜，则将实时观测的图象与术前CT或MRI进行匹配定位融合，对齐两个坐标系并显示为图形，引导医生进行手术。

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