虚拟手术系统对实践教学的作用探讨
【摘要】 介绍虚拟手术系统的、应用环境以及基本原理。并就虚拟手术系统对医学实践教学的促进和应用进行研究。
【关键词】 虚拟手术；虚拟空间；机技术
随着人类文明的发展和生活方式的转变，对医疗技术的要求已越来越高。庆幸的是技术的发展，促使着医疗技术水平不断进步。以外科手术来说，内窥镜手术已经普遍应用于临床。这种手术创口小，恢复快，给病人带来的痛苦小，对于那些需要做手术的病人无疑是一个很大的安慰。但同时，这也为医生提出了更高的要求。因为这种手术需要在非常小的空间里完全依靠窥镜来判断病灶，并操作各种复杂的手术器械来切除病灶和缝合伤口。所以它要求医生进行长时间的训练，才能胜任。因此为了培养出合格而优秀的医务工作者，必须加快医科实践教学改革的步伐——结合医学和计算机虚拟现实技术的虚拟手术便是极有探讨价值的重要方向。
１ 虚拟手术系统的发展
在传统的手术中，医生是在自己的大脑中进行术前的手术模拟，以确定手术方案，这是顺利进行手术所必须的准备工作，然后根据其在大脑中形成的三维印象进行手术。但这种手术方案质量的高低，往往依赖于医生个体的外科临床经验与技能，且整个手术班子的每一位成员都很难共享某一制订手术方案人员在其大脑中形成的整个手术方案的构思信息。
用计算机代替医生思维进行手术方案的三维构思比较客观、定量，且其信息可供整个手术班子的每一位成员共享。如果引入ＣＴ等三维图像，就可对具体图像与同行进行交流，在虚拟空间（ｖｉｒｔｕａｌ ｓｐａｃｅ)进行三维手术模拟，并制订出较为完善的手术方案。如果所设想的空间与现实空间（患者的术野)及位置能够正确地对应，在手术中就可随时以此作为。
虚拟手术（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｓｕｒｇｅｒｙ，ＶＳ）是利用各种医学影像数据和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，以及在实际手术过程中引导手术的新兴学科。虚拟手术能够充分体现虚拟现实作为计算机图形学在医学治疗过程中的作用，同时充分体现了人机交互的真实感。
虚拟手术作为正在发展的研究方向，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。
２ 虚拟手术系统的特点
虚拟现实技术，就是利用计算机技术产生一个高度逼真，具有视觉、听觉、触觉等感觉的虚拟环境，使置身该环境中的人通过使用各种专用的传感交互设备对虚拟环境中的实体进行相互作用，达到交互考察与控制、融为一体的程度。如图１所示的虚拟手术系统结构，分为３大块：医学数据库，硬件设备，软件系统。
硬件设备主要包括微型计算机和传感器，主要解决信号的存储和输入输出。计算机中安装虚拟手术的操作系统和各类医学数据库，而传感器包括数据手套、三维鼠标、三维眼镜等等。
在虚拟手术系统中，以现实数据为基础（冰冻切片数据）对人体结构进行三维重建，操作者戴上３Ｄ眼睛，能如身临其境，高精度的三维跟踪设备，能够将仿真手术器械在空间中的位姿和运动信息准确地传送给主计算机，实现与虚拟人体组织（或器官）的精确人机交互。操作手套中装有仿真手术器械，在外形和使用方式上与实际的手术器械十分近似，其力反馈功能让操作人在切割组织时感受到器械的压力，能按实际手术方案完成全部手术操作，使操作者能获得在真实人体上手术一样的感觉。
３ 虚拟手术系统在实践教学改革中的应用价值
意大利比萨大学泌尿系研制出了泌尿外科手术虚拟软件，这种软件既可用于教学，也可让一般大夫进行模拟手术练习。并与比萨大学的计算机技术人员合作，用１年时间制成光盘。其内容十分简单，很像一张普通游戏光盘，放入计算机内即可在屏幕上显示出一个虚拟的手术室及手术的详细过程，学生或一般大夫可在虚拟手术中反复训练高难度的操作方法，直至达到完美无缺为止。
面对越来越复杂、要求越来越高的手术，虚拟手术系统在医科实践教学的时候能使学生更快更熟练的掌握手术技巧。虚拟手术系统的性、直觉性和多样性使它在医科实践教学的改革中有着很大的应用价值。
３．１ 辅助病情判断
可以在虚拟人体模型上开展各种无法在真人身上进行的诊断与研究，使诊断和治疗个性化，最终能够预测人体对新的治疗方法的响应。虚拟技术还能变定性为定量，使诊断治疗达到直观化、可视化、精确化的效果。例如传统医学诊断主要靠医生的学识和经验，但医生也有“吃不准”的时候，这就会导致误诊。虚拟手术系统将所有人体信息收集储存在电脑里，诊断前医生先将药物影响数据输入电脑，系统协助医生作出判断。
３．２ 协助建立手术方案
能够利用图像技术，帮助医生合理、定量的定制手术方案，能够辅助选择最佳手术途径、减少手术损伤、减少对组织损害、提高病灶定位精度，以便执行复杂外科手术和提高手术成功率等。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可能出现的问题，使医生能够依靠术前获得的医学影像信息，建立三维模型，在机建立的虚拟环境中设计手术过程、切口部位、角度，提高手术的成功率。
３．３ 手术训练教学
临床上，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，也可重复练习。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。
３．４ 保护医生和降低培训费用
对医务人员来说较危险的手术操作，如在感染或放射情况下，采用虚拟临场技术可以使医生免受射线的侵害。过去，医生需通过阅读教材，看解剖图谱上的注释，并通过对尸体进行解剖的实习来学习解剖学课程。利用虚拟人体进行人体解剖课的教学，学生可以用虚拟手术器械解剖虚拟尸体，并利用操纵杆、手套和其他设备的触觉强力反馈来感受到人体组织的不同质感。在虚拟解剖过程中如发生错误操作，学生可以返回纠正错误，当然也可以反复进行复习和训练。由于学生们可以随时进行虚拟解剖，不需一起来到解剖学实验室进行学习，既可以方便老师和学生，同时又可以节约宝贵的尸体标本，并减少其他器械如手套和刀片等的消耗，为学校和教研室减轻经济负担。中世纪期间产生的解剖图谱构成了医学学习的基础，但解剖图谱是对人体器官三维结构的二维表达，容易使学习者对解剖结构的学习和理解受到制约。解剖图谱一般有许多个标注，细线的一端指向解剖结构，另一端标有该结构的名称，看上去非常复杂。数字计算机则为科学家获取、储存、利用和显示复杂图像提供方便。
４ 小结
虚拟手术的应用已经取得了长足的进步，许多产品已经达到了商品化的水平。随着国家对虚拟现实技术的日益重视，相信这一技术在将来会取得更大的。可以预料，虚拟现实技术在医学中更广泛、更深入的应用，将会给传统医疗及医科实践教学带来革命性的变化。
【】
［１］ 邓岳辉，杨以涵．虚拟现实技术．电力情报，１９９７（４)：７－９．
［２］ 云 忠，汤晓燕，徐绍军．工程图学三维虚拟实验教学方法研究．实验室研究与探索，２００４（４)：２３－２６．
［３］ 罗 伟，李珊珊．虚拟现实技术在医疗中的应用．生堡医院管理杂志，２００５，２ｌ（ｌ２）：１７．
［４］ 朱彦军，姜国华．虚拟现实中虚拟人体模型概述．计算机仿真，２００４，（２１)：１１－１３．
