虚拟手术，手术教学新趋势

数字一体化手术室、人工智能手术室、虚拟手术室、机器人手术室……现代外科手术的发展一直是基于手术技术、麻醉技术与感染控制的进步，推动了手术室模式沿革，不断推进手术室建设、甚至改变了管理与运营的形式。

在众多手术室技术发展中，虚拟手术是利用虚拟现实技术，通过集成软件与硬件模拟出逼真的虚拟环境，并利用触觉交互设备与之交互的手术系统。虚拟手术是一种计算机辅助的外科手术模拟，旨在训练医生并为实际操作做好准备。虚拟手术使外科医生能够在不危及患者生命的情况下进行精细的手术。此外，还提供了参与手术的身体器官的详细三维图像，以及先进的设置包括触觉技术，一种触觉反馈系统，模拟虚拟器官施加的压力。结果是一个复杂的模拟，用户可以在真实的程度上看到和感受虚拟手术。

虚拟手术创造了有效的学习环境，可以针对不同需要更改组配，可以重复学习，提高医生手术的手段，避免传统手术教学中的风险。

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虚拟手术中需要处理的图像包括CT、MR、超声等，通过成像设备获取图像导入系统，帮助医生合理制定手术方案。但怎样更有效地可视化，是很重要的研究课题。

力反馈是医生在做手术的过程中手感觉到的力。在手术模拟里面也是较难实现的部分，涉及多个领域。为了判断是否真实模拟出力反馈技术，在虚拟手术系统集成之后，必须做测试和手术训练过程的评估，来判断该训练系统是否有效。在力反馈过程中，要很逼真的模拟到当针插过皮肤、肌肉或者肝脏以及其他器官的力的反应，需要跟医生在实即手术操作过程的感觉非常接近，才是较好的训练系统。

虚拟解剖技术包括基于图形加速的光纤跟踪方法，通过虚拟技术进行深层次的剥离以及高逼真度的显示。虚拟解剖还可以利用3D打印技术，按照2：1的比例打印三维模型。

在手术模拟过程中，血流也是必须要照顾到的一个地方，尤其是在骨科手术中，血流是非常常见的问题。如果不能及时阻止大量血流，会对患者构成危险。一般可采用平滑粒子流体力学的方法构建血流状态，也可做血管的建模以及各种几何造型。

在手术模拟中，避免不了的问题是软组织变形，软组织变形主要使用的工具包括弹簧模型和多层次的建模，还有通过血流得方法更逼真的重现物理变化。从表皮、皮下脂肪到肌肉，构成多层次的结构。通过分割来的数据，构建一个多层次的结构，提供逼真的血流以及力反馈的模拟。

假设一位患者肝脏有一个肿瘤，不知道良性还是恶性。一般的情况会在超声引导下将一支针刺到那个部位，然后抽取去做检验，模拟的超声活检训练系统主要希望达到这样的训练目的。

训练时一只手模拟探针，另外一只手模拟超声探头。

模拟超声导航的活检首先要做很多数据的预处理，因为必须要采集几套超声数据；接下来要做超声数据之间的配准，把多套超声数据融合成一个完整的超声数据。有这一整套的数据之后做CT配准。可视化方面要做到实时模拟，比如超声探头去到不同的位置，相对应的超声图像应该展现出来。

血管介入手段属于微创手术，在身体上开一个小孔，将导管插进人体里面，必须在X光射线引导下做一些血管有关的疾病治疗。通常需要用到的图像就包括CT图像或MR图像，作为在这方面需要用到的图像。经常可以处理的就是一些跟血管有关系的比如血管阻塞、中风、血栓等疾病。

构建一个虚拟平台学习血管介入有关的解剖结构，同时模拟这个过程。在模拟系统中，可以进行图像的处理、CT或者MR包括分割、血管结膜，另外可以做导管模拟、血栓模拟，最后是整个集成与可视化。

模拟血管介入需要做的科研研究包括血管模型建模、导管的模拟，各种各样的碰撞检测，是个集成系统。

颌骨整容模拟的难点在于力反馈，牵涉到骨钻骨锯，碰撞骨头属于多点碰撞，变成模拟到钻骨头或者锯骨头感受的力。在模拟系统里有骨头的模型，各种骨锯、骨钻的模拟，各种各样的力都要考虑在里面。在人机交互界面里，将高速旋转的骨钻旋转力、摩擦力、还有骨头的属性等所有的力集成起来反馈到有力反馈装备的设备里面，可以让用户感受到骨钻在钻骨头或者锯在锯骨头的感觉。

为了证实模拟的逼真性，可以拿骨头进行测试关于直线速度的运动所感受到的力或者旋转速度所感受到的力。

资料来源来源：《医养环境设计》杂志——《王平安  虚拟手术：医学教育新方法 》

编辑：马志晖