1、計算機圖形學應用計算機圖形學應用 虛擬手術虛擬手術 虛擬手術簡介虛擬手術簡介 虛擬手術是利用各種醫學影像數據，利用虛擬現 實技術在計算機中建立一個模擬環境，醫生借助 虛擬環境中的信息進行手術計劃、訓練，以及實 際手術過程中引導手術的新興學科。 虛擬手術（Virtual Surgery-VS）作為正在發展起 來的研究方向，是集醫學、生物力學、機械學、 材料學、計算機圖形學、計算機視覺、數學分析、 機械力學、材料學、機器人等諸多學科為一體的 新型交叉研究領域。其目的是：使用計算機技術 （主要是計算機圖形學與虛擬現實）來模擬、指 導醫學手術所涉及的各種過程，在時間段上包括 了術前、術中、術后，在實現

2、的目的上有手術計 劃制定，手術排練演習，手術教學，手術技能訓 練，術中引導手術、術后康復等。 虛擬手術這個研究方向目前正在逐步形成之中， 與之相關的一些研究方向主要有：醫學可視化， 醫學增強現實，醫用機器人，手術模擬，圖象引 導手術，計算機輔助手術等。使用虛擬手術充分 體現虛擬現實作為計算機圖形學在醫學治療過程 中的作用，充分體現了人機交互和真實感。國外 也有稱此方向為虛擬手術室或醫學虛擬現實。 虛擬手術研究背景虛擬手術研究背景 虛擬手術系統在醫學上的應用起源于醫務人員對 復雜的三維醫學解剖體數據的可視化需求，進而 發展到能對重建的數據進行實時操作，以建立可 供手術和手術前規劃使用的虛擬環境。

3、在手術教 學和仿真訓練等方面，虛擬手術系統有著令人鼓 舞的應用前景。 虛擬手術研究對象虛擬手術研究對象 虛擬手術現實系統在軟件方面的研究對象主要包 括:1、基于計算機圖形學的虛擬環境幾何建模和 仿真;2、基于復雜對象物理特性的運動學和動力 學建模及可視化仿真; 3、基于人類感官的傳感信 息描述和仿真;4、基于虛擬現實技術的科學可視 化;5、人機交互界面的智能化及自然化。 虛擬手術研究現狀虛擬手術研究現狀 隨著技術的發展，最初的計算機輔助手術系統已 經發展到可以針對不同的外科手術進行輔助計劃， 由原來的導航、觀摩形式，發展成為具有可操作、 可交互的虛擬仿真系統。日本及歐美國家一直在 虛擬手術仿真

4、領域處于領先地位。最近澳大利亞 科學家也研制出一種“虛擬手術系統”,可以讓年 輕的實習醫生們用虛擬的手術刀練習給一個虛擬 人體動手術,以提高醫術水平。 醫生在使用它時,感覺就像是真的在給病 人動手術, 手術器械切入肌肉組織、碰到骨頭等觸感都非常 逼真。這種虛擬手術系統名叫“觸感手術臺”,它由 一個3D成像系統和一個機械臂組成。系統使用詳 細的解剖學及人體數據模擬出一個逼真的高解析 度3D“虛擬人體”,醫生戴上3D眼鏡,坐在手術臺前, 握住機械臂的一端,就可以對眼鏡中看到的虛擬人 體進行操作。根據不同需要,醫生可把機械臂在視 野中調節為不同的工具形象。 此外，還有一些研究機構和商業公司也開發了許

5、 多輔助軟件產品，其中比較著名的有 MIT 的 David T. Gering 等開發的 3DSlicer以及比利時 Materialise 公司開發的系列軟件產品，它們將多 種方式集中于一個系統環境中，可以實現配準， 半自動的分割，表面模型生成，三維可視化和定 量分析，并且可以實現術前的手術計劃和術間的 手術導航，并在臨床中得到了成功應用。 國內在計算機輔助手術系統的研究主要集中在科 研院校和研究所。研究方向大多集中在三維仿真、 三維繪制以及軟組織模擬等。 虛擬手術的主要用途虛擬手術的主要用途 1、模擬手術方案 手術方案能夠利用圖 像數據，幫助醫生合 理、定量地制定手術 方案，對于選擇最佳

6、手術路徑、減小手術 損傷、減少對臨近組 織損害、提高腫瘤定 位精度、執行復雜外 科手術和提高手術成 功率等具有十分重要 的意義。 虛擬手術系統可以預 演手術的整個過程以 便事先發現手術中問 題。虛擬手術系統能 夠使得醫生能夠依靠 術前獲得的醫學影像 信息，建立三維模型， 在計算機建立的虛擬 的環境中設計手術過 程，進刀的部位，角 度，提高手術的成功 率。 手術教學訓練80%的手術失誤是人為因素引起的， 所以手術訓練極其重要。醫生可在虛擬手術系統 上觀察專家手術過程，也可重復實習。虛擬手術 使得手術培訓的時間大為縮短，同時減少了對昂 貴的實驗對象的需求。由于虛擬手術系統可為操 作者提供一個極具真

7、實感和沉浸感的訓練環境， 力反饋繪制算法能夠制造很好的臨場感，所以訓 練過程與真實情況幾乎一致，尤其是能夠獲得在 實際手術中的手感。計算機還能夠給出一次手術 練習的評價。在虛擬環境中進行手術，不會發生 嚴重的意外，能夠提高醫生的協作能力。 術中導航與術中監護 介入治療是在手術過程中進行 熒光透視法、超聲、MR下，在圖象的引導下進行定 位。而虛擬手術的手術導航無須在介入環境下，將 計算機處理的三維模型與實際手術進行定位匹配， 使得醫生看到的圖象既有實際圖象，又疊加了圖形， 屬于計算機增強現實。如手術使用了第二種成像手 段，例如內窺鏡，則將實時觀測的圖象與術前CT或 MRI進行匹配定位融合，對齊兩

8、個坐標系并顯示為圖 形，引導醫生進行手術。 1.2 術中導航與術中監護術中導航與術中監護 1.3 保護醫生保護醫生 對于醫務人員來說,面臨較危險的操作,如在感染 或放射情況下,采取精確復雜的虛擬手術干預將是 十分必要的。采用虛擬臨場技術可以使醫生免受 射線的侵害。 1.4 降低手術費用降低手術費用 現代外科醫療檢測系統造價昂貴,醫療成本也很高。 虛擬手術能夠減少手術探索的盲目性,減少機體損 傷,縮短病人的恢復周期,降低病人和醫院的開支。 虛擬手術不受手術設備的制約。 1.5建造定制的修復擬合模型建造定制的修復擬合模型 虛擬手術能夠設計植入器官(對人工假體的設計)。 例如計算機能夠幫助醫生在進行髖骨更換手術前, 可通過非破壞性的三維成像對其尺寸和形狀進行 精確測量,然后定制髖骨,這樣可以把因尺寸不合 格而重新開刀的比例從30%降