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虚拟技术在医学训练中的作用

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1VR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。

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。

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间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,以获得所需的分段阈值。

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)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FFD不能模拟局部的变形。

4.2.2基于物理学的变形模型(physicallybaseddeformation)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、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。

虚拟技术在医学训练中的作用责任编辑:陈老师    阅读:人次