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| | 虚拟手术初解 |
引言： 意大利比萨大学泌尿系研制出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。比萨大学泌尿系主任保罗·姜诺蒂日前在米兰的一次会议上介绍说，他和比萨大学的计算机技术人员合作，用一年时间制成这种光盘。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试验高难度的操作方法，直至达到完美无缺为止。
A、 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。
B、虚拟手术的主要用途有：
· 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[1]。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。
· 其他作用：
保护医生
对医务人员来说较危险的动作，如在感染或放射情况下，精确复杂的虚拟手术干预将是十分必要和重要的。采用虚拟临场技术可以使医生免受射线的侵害。
降低手术费用
现代外科医疗检测系统造价昂贵，医疗成本也很高。虚拟手术能够缩短病人的恢复周期、降低病人和医院的开支。虚拟手术不受手术设备的制约。
改善病人的预后
虚拟手术减少手术的并发症，使患者恢复更迅速。例如立体定向放射神经外科中，虚拟手术能够优化放射手术治疗方案，降低并发症。
建造定制的修复拟合模型
虚拟手术能够设计植入器官（对人工假体的设计）。计算机能够帮助医生在进行髋骨更换手术前，可通过非破坏性的三维成象对其尺寸和形状进行精确测量，然后定制髋骨，这样可以把因尺寸不合格而重新开刀的比例从30%将降到5%。
远程干预
虚拟手术与远程干预将能够在手术室中的外科医生能实时地获得远程专家的交互式会诊。交互工具可以使顾问医生把靶点投影于患者身上来帮助指导主刀外科医生的操作，甚或通过遥控帮助操纵仪器。这能使专家们技能的发挥不受空间距离的限制。
由于虚拟手术技术的发展而发展起来的医疗电子设备正以每年10%的速度增长。但是虚拟手术室的硬件仅是解决信号的输入和输出，虚拟手术的软件（算法）才是关键，软件能很方便的改变、增减、改善系统的功能与规模。虚拟手术现实系统在软件方面的研究对象主要包括：
①基于计算机图形学的虚拟环境几何建模和仿真；
②基于复杂对象物理特性的运动学和动力学建模及可视化仿真；
③基于人类感官的传感信息描述和仿真；
④基于虚拟现实技术的科学可视化；
⑤人机交互界面的智能化及自然化。
计算机辅助外科(computer aided surgery，CAS)是一种基于计算机对大量数据信息的高速处理及控制能力，通过虚拟手术环境为外科医生从技术上提供支援，使手术更安全、更准确的一门新技术。近年来,随着CT、MRI等图像诊断仪的发展，使计算机虚拟现实技术在医学中的应用得到了飞速的发展。计算机利用这些图像信息进行三维图像重建，为外科医生进行手术模拟、手术导航(navigator)、手术定位、制订手术方案提供了客观、准确、直观、科学的手段。同时由于这些图像信息具有准确性和可靠性，故而被广泛作为医疗机器人，特别是手术支援机器人等手术支援机器的控制信息源。基于这种三维位置信息的手术支援，极大地减小了手术创面，最大限度地减轻了手术患者肉体上的痛苦，近而使微创手术也得到了快速的发展。
D、 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，这是高效、准确、顺利进行手术所必须的准备工作，然后根据其在医生大脑中形成三维印象进行手术。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却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，在虚拟的空间(virtual space)进行三维手术模拟，并制订出较为完善的手术方案。如果所设想的空间能与现实空间(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参考。这种基于图像信息而构成且位置吻合的假设空间称为增 强现实(augmented reality)，这与一般意义上的虚拟现实不同，虚拟现实是把现实中不存在的东西，真实地感触到，而增强现实是在实物的图像上增加现实的(或不可视的)信息。
下面让我们来看看虚拟现实手术在先阶段的应用情况
1．虚拟现实在手术模拟及手术导航中的应用：用真实的三维图像进行手术模拟［5］的研究进展很快，将来，如果在模拟手术中加入变形力来模拟及感觉反馈的功能，将可成为医学教学的工具。由于模拟环境是单独构成的，也就是说，虚拟空间与真实空间(手术对象脏器)的位置并不一致。为解决这一问题，目前已有人制作出了脏器模型与模拟的虚拟空间位置一致且可用三维指示器选择模型的各个部位，自由链接虚拟空间上的图像数据的系统。如果手术室中患者的实际脏器与模拟的虚拟空间位置相对应，这一系统就可代替脏器模型，用于手术指挥(navigator)。当用三维指示器选择脏器的某一点时，立即就可显示含选择点在内的断层图像，并在该图像上标记当前所选择的部位。它类似于卫星地面定位系统，能够实时地显示自己目前所在的地点在地图上的位置。
2．虚拟现实在制订手术方案中的应用：微创手术是以尽可能小的创口通道使手术器械到达病灶部位，然后进行准确、适当的操作，摘除病灶且缩短了手术时间。为此，在手术前应收集治疗信息及图像信息加以分析，并将手术过程以手术模拟的方式加以预测，然后，根据数据分析的结果制订出比较完善的手术计划。此外，还应备有手术修改计划，准备好手术方案。在手术中应参照计划操作，并根据情况选择适当的手术方案。
在手术中向手术医生提供指挥信息，首先要将手术方案输入到系统中。为了实现这一目的,需要事先输入专用数据，这样一来反倒不如通过系统提供的手术方案的制订功能，从最初就让手术医生直接参与手术方案的制订。
手术医生在虚拟的空间中加入三维CT图像等各种信息，在进行手术模拟的同时筹划手术方案，并绘制出一个容易操作的三维地图，在这一地图上，集中着手术时所能观察到的形态信息及其功能的重要性、手术预定部位的范围、随手术过程而发生形态变化的预后图等及各种信息与相互位置的对应。此外，在手术中，也能向地图上增加各种信息。比如，用红外线或紫外线拍摄的术野图像、手术中超声断层图像及CT图像等，对掌握因手术操作而引起术野变化是非常必要的。由于在手术前对某一病例要进行真实的手术模拟，因此，虚拟现实技术将得到充分地利用。
3．增强现实在手术中的应用：为了充分利用集中有手术方案信息的地图，手术医生要随时参照这个地图，然而，如果这个地图没有与实际空间对应，因此就不会起任何作用。增强现实技术恰好能将虚拟空间上的地图信息与实际空间的图像吻合，这是外科医生理解地图所提供信息的必须条件。在这一基础上，手术医生就可用这一地图很容易地验证手术中当前所操作的位置是否是真正计划的位置、是否是在模拟的路径下进行手术。
提供给手术医生三维地图的立体图像装置有多种，如Volumegraph，它是一种能显示静态虚拟空间的装置，能将实际患者与在计算机上生成的三维地图图像通过半透镜重叠，作出透视患者内部的效果，此时，实际患者与地图在位置上正确地对应是相当重要的，此外，在术中由于手术时间较长而导致脏器位置偏移的位置修正管理系统也是必需的。
4．在虚拟医院中的应用：如果在计算机的某一虚拟空间上集中有某一手术方案的信息，为数众多的手术医生就可以介助网络共享其信息。为实现这一目的，首先要将从初诊到治疗这一阶段患者的医疗数据汇总到电子化的数据库中，并统一病例卡的书写方法、图像处理数据的格式、通信方法，医院内外均可共享的数据；其次，在虚拟的空间中设置图像诊断支援系统及手术模拟系统等，众多的医生可通过网络共同协调工作。 这样一种网络上的虚拟医院(Virtual hospital)，可使整个虚拟医院的成员共享诊断图像及检查数据，并通过图像、声音、文字等多媒体技术进行交流，共同筹划手术方案及进行手术模拟，并可实时根据手术进展情况对手术医生提供支援。此外，从原理上讲，也可对手术机械手实现遥控操作。通过虚拟医院，专家也可参与手术，只是由于通信响应迟缓，使遥控操作者处于辅助现场手术者的地步。虚拟医院并不局限于手术，也可用于诊断及药物治疗等多种用途及成为为边远地区提供良好治疗环境的远程医院(telemedicine)。 |
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