三维虚拟手术实验在医学领域中的应用

·现代教育技术·三维虚拟手术实验在医学领域中的应用邱峰张际平高岩【摘要】三维虚拟手术实验是医生借助虚拟环境中的信息进行手术计划制定、手术演习、手术教学、手术技能训练、术中引导手术、术后康复等，信息可供手术全体医生的每一位成员共享。

虚拟手术实验与真实手术相结合共同构成了较完整的实验教学体系，使得远程医学实验教学手段和教学内容丰富多样。

【关键词】虚拟手术；手术模拟；手术方案【中图分类号】Ｇ６４２．４２３【文献标识码】Ａ【文章编号】１６７１－８５６９（２００９）１２－１５７４－０４The application of the three dimensional virtual surgery experiment in the medical field QIUFeng，ZHANG Ji-ping，GAO Yan.Department of Information Technology，South of China normalUniversity，Shanghai200062，China【Abstract】Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｖｉｒｔｕａｌｓｕｒｇｅｒｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｔｈｅｍｅｄｉｃａｌｆｉｅｌｄ．Ｄｏｃｔｏｒｓｕｓｅｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｔｏｄｅｖｅｌｏｐｓｕｒｇｉｃａｌｐｌａｎｎｉｎｇ，ｓｕｒｇｉｃａｌｄｒｉｌｌｓ．ｓｕｒｇｉｃａｌｔｅａｃｈｉｎｇ，ｓｕｒｇｉｃａｌｓｋｉｌｌｓｔｒａｉｎｉｎｇ，ｔｏｌｅａｄｔｈｅｓｕｒｇｉｃａｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｐｏｓｔｏｐｅｒａｔｉｖｅｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓａｖａｉｌａｂｌｅｆｏｒｓｕｒｇｅｒｙｅｖｅｒｙｓｕｒ－ｇｉｃａｌｍｅｍｂｅｒｔｏｓｈａｒｅ．ＶｉｒｔｕａｌＳｕｒｇｅｒｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｒｅａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｔｏｇｅｔｈｅｒｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅｃｏｍｐｌｅｔｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｍａｋｉｎｇｔｅｌｅｍｅｄｉｃｉｎｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｔｅａｃｈｉｎｇｃｏｎｔｅｎｔｒｉｃｈａｎｄｖａｒｉｅｄ．【Key words】Ｖｉｒｔｕａｌｓｕｒｇｅｒｙ；Ｓｕｒｇｅｒｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｓｕｒｇｉｃａｌｐｌａｎｎｉｎｇ1前言虚拟现实，英文为ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙ，简称ＶＲ，是指用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉的感官世界。

虚拟现实技术应用于医学领域，称为虚拟手术（ＶｉｒｔｕａｌＳｕｒｇｅｒｙ）。

虚拟手术是集医学、生物力学、机械学、计算机图形学、数学分析等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，目的是使用计算机技术来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，在时间段上包括术前、术中、术后，在实现的目的上有手术计划制定、手术演习、手术教学、手术技能训练、术中引导手术、术后康复等［１］。

在传统手术中，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，方案质量的高低，只能依赖于医生个体的外科临床经验与技能，很难被手术小组的其它成员所共享。

虚拟手术则利用各种医学影像数据，进行三维重建，在虚拟空间实现三维手术模拟，以制订出较为完善的手术方案，且可供手术全体医生共享［２］。

2虚拟手术实验系统的体系架构新疆石河子大学第一附属医院是全国综合性“三级甲等医院”，拥有美国分会ＧＥＨｉｓｐｅｅｄＮＸ／ｉ多层螺旋ＣＴ、美国综合ＧＥＳｉｇｎａＴ核磁共振仪（ＭＲＩ）等高精尖诊断治疗仪器，为有效的利用现有医疗影像，结合影像特点，针对医学院实验教学中存在的诸多问题，建立了三维医学虚拟手术实验网络系统，使全院临床终端可以随时调阅病人的医学影像资料，并进行三维医学影像重建。

如图１为三基金项目：２００７年新疆生产建设兵团科技基础条件平台建设计划项目（２００７ＴＪ１０）作者单位：２０００６２上海，华东师范大学教育信息技术系（邱峰、张际平），软件学院（高岩）维医学虚拟手术系统架构图。

图１三维医学影像网络系统结构根据病人的放射影像资料的二维片，如ＣＴ、ＭＲ、３Ｄ超声及其它医疗设备获得的ＤＩＣＯＭ３．０文件或影像，通过三维医学影像网络是中心服务器的智能处理，重建为多种影像格式（ｓｌｉｃｅ影像，ＭＰＲ影像，曲面影像等），让各临床医学系的学生可以通过网络来做虚拟实验，模拟各种复杂的切割手术，尝试解决临床医学诊疗过程中遇到的各种真实的问题。

医生可以方便地将三维手术模拟和手术计划的资料方便快捷地输入到临床教学系统中，进行多媒体课件的制作以及进行科研课题和学术交流等。

系统的交互性和快速响应足以保持学习者的兴趣，替代真实的医疗实验环境，同时可以为真正的实验做准备，是真实实验的有力支持。

3系统功能本系统利用医学影像数据，重建三维模型，通过三维手术交互操作来帮助医生在计算机上模拟手术的过程，预测手术的效果，选择合理的手术方案。

并可辅助观察者对靶区和周围组织进行分析和显示，可以准确地在确定靶区体的空间位置、大小、几何形状以及与周围生物组织之间的空间关系。

包括如下功能：①容积重建（ＶＲ）：提供交互式的操作方式，医生可以自由地添加和去除各种组织，动态调整各种组织的透明度。

②快速表面重建（ＳＳＤ）：依据所用的数据不同，根据组织的密度或组织的信号差别和空间位置，定义不同的重建目标，重建后的各个对象可以任意的组合、旋转、平移、切割等［３］。

③任意平面（曲面）重组（ＭＰＲ，ＣＰＲ）：将多个连续的平面断层图像组成三维模型，再将模型沿冠状面、矢状面或者任意斜面甚至曲面断开，并形成的新的断层图像。

④虚拟内窥镜（Ｅｎｄｏｓｃｏｐｙ）：使用先进的分割、重建、显示和自动路径规划算法，使用医学影像数据，生成器官的３Ｄ内表面模型，模拟视频内窥镜的功能。

⑤最大（小）密度投影（ＭＩＰ）：类似Ｘ线透视的效果，可以任意地选择角度进行观看，模拟出三维的效果。

⑥手术模拟（Ｓｕｒｇｅｒｙ）：手术模拟是在ＳＳＤ的功能基础上，可以让医生方便地对各种组织进行切割和组合，完整地实现手术过程的展示，过程中会给出精准的手术数据。

⑦测量（Ｍｅａｓｕｒｅ）：系统提供方便的测量功能，可以测量距离、面积、容积和角度等。

对于容积，系统会根据目标自动计算，也可以手工选取的面积进行复杂结构的容积计算。

4虚拟手术模拟病案示例4.1先天髋脱位手术计划和手术模拟案例骨盆髋臼部位血管神经解剖复杂，没有一个理想入路能够满足髋脱位的显露要求，髋脱位解剖分区为观察对象建立的分类体系基本概括了髋脱位的全貌，将髋臼窝分为２个骨性支柱：前柱由髂嵴、髂棘、和髋臼前半和耻骨，后柱由坐骨、坐骨棘、髋臼后半和形成骨切迹的密质骨组成，柱的概念是骨折分型、手术入路和内固定的核心［４］。

病史资料：２００６年３月收入我院，女，１８岁，ＣＴ数据为单螺旋ＣＴ扫描，层距３．０，层厚０．６。

如图２术前Ｘ线摄影（左图正位，右图外展位）。

图２术前Ｘ线摄影（左图正位，右图外展位）本例是典型的双侧先天髋脱位，有多种治疗方ＣＴ移动办公系统会诊中心激光相机三维网络中心放射科骨外科神经外科泌尿外科普通外科ＭＡＩ案可以选择。

患者为１８岁女性患者，根据患者的情况分析ＳＡＬＴＥＲ截骨的预后应该是最好的，该术式为单相截骨，不破坏髋关节。

但是根据术前Ｘ片和普通的ＣＴ三维重建，图２术前三维重建（ＣＴ扫描数据）很难确定该患者是否可以适用ＳＡＬＴＥＲ。

病理学检查能在关节骨质出现宏观形态改变之前观察到软骨和其他结构是否存在病变，是最可靠的诊断手段。

我们应用ＣＴ对髋臼关节作轴位容积扫描、薄层重建，再加以曲面重建（Ｃ－ＭＰＲ）、多平面重建（（ＭＰＲ）、容积再现（ＶＲＴ）和表遮盖显示（ＳＳＤ）等方法作三维重建，选择适当的剖面来显示髋臼的立体形态，从而指导临床手术，达到满意的效果。

三维重建图像可良好地显示骨块的大小和方向，及髓臼内是否有游离骨块。

术前正确诊断分型能够提供准确的手术入路，对髋脱位手术复位有较大的帮助。

图３为术前三维重建结果。

图３术前三维重建（ＣＴ扫描数据）通过三维医学影像系统的手术过程模拟可以清晰地显示手术过程和结果，并给出所有过程的参数。

如图４术前手术计划（选择截骨位置，进行截骨）。

图４术前手术计划选择截骨位置，进行截骨医生根据手术模拟的结果为患者选择了最佳的手术方案，而且手术模拟也提供了准确的手术数据。

图５术前手术模拟（以耻骨联合为轴向前、向外旋转，手术模拟的结果）图６（ａ）术中Ｘ线摄影（ｂ）术后４５天复查Ｘ线摄像如图６（ａ）是该病人术中Ｘ线摄影与手术模拟。

如图６（ｂ）术后４５天复查Ｘ线摄像最后的手术两者相比，几乎吻合，证明手术非常成功。

4.2虚拟内窥镜模拟示例虚拟内窥镜是一种新的非侵入性诊断方法，它使用计算机处理ＣＴ和ＭＲＩ等二维医学图像，经过三维重建，生成人体内部特定解剖结构的三维动态视图，如图７所示，以模拟标准内窥镜的检查过程和视觉效果。

具有非侵入性、重复使用、动态病理分析、无检查死区等特点。

虚拟内窥镜检查省去了使用镇静剂、插入探测器、住院治疗和术后观察等措施，降低了检查的复杂性、危险性和医疗成本，在医学的教育、培训、治疗等方面广泛使用。

可以方便的观察各种管状器官，如：气管、食道、血管、直结肠等；也可以方便的观察如胃、膀胱、脑室、椎管等。

另外，可以随时调节管壁的显示密度，观测管壁的组织结构。

也可以将组织透明化，观看组织外的情况［５］。

图７虚拟内窥镜中透明肠提取在三维医学影像网络系统虚拟内窥镜中可以使用两种模式，一种是体积重建内窥镜，通常用于观看血管、气管和直肠，如图７虚拟内窥镜中透明肠提取。

另一种是表面重建内窥镜，通常用来查看脊柱。

4.3医学教学中的手术模拟训练手术方案的制定一般是以医生从标本或书本上获得的人体解剖知识结合临床经验进行，由于人体解剖结构的变异较多，这样难免出现偏颇。

每个人血管的走行、血管与周围组织的毗邻关系，都有些细微差别，个别人甚至有非常明显的变异。

如肝门静脉是肝脏所有管道系统中变异最少的管道系统，但仍存在不少变异。

由于医生对病人个体解剖结构了解得不够精确，就会导致手术方案设计的不科学，而最终会增加术中误伤大血管，造成病人大出血发生的几率，还会过多损伤术区健康组织，影响手术的疗效［６］。

鉴于上述情况我们进行了多层螺旋ＣＴ扫描经过三维医学影像系统重建后逐层显示解剖结构的研究。

由于ＣＴ的密度分辨率很高，可以分辨出人体组织细微差别，因此经ＣＴ扫描，并使用三维医学影像网络手术模拟系统进行三维重建后能逐层显示人体各个层面的解剖结构与毗邻关系，并可对ＣＴ值不同的组织标以不同颜色，以方便对各种组织观察。