虛擬現實技術在神經外科研究生手術培訓的應用

毛錦寧　劉國棟

【摘 要】虛擬現實技術（virtual reality，VR）是應用電腦技術模擬產生一個三維虛擬世界，通過對聽覺、視覺、觸覺等感覺器官的多重模擬，給操作者逼真的感受。近年來VR技術正在建筑裝潢、航空航天、影視娛樂、軍事培訓等領域廣泛應用。神經外科手術操作空間小、毗鄰結構重要而學習周期長。缺乏經驗的神經外科研究生在手術培訓中只能進行淺表的手術操作或者觀摩手術視頻，導致神經外科研究生畢業后通過漫長臨床實踐才能成為熟練的醫生。本文提出將VR技術和臨床病例結合后建立顱腦手術模擬平臺，讓神經外科研究生在VR模擬的三維虛擬世界里自己完成手術，這種全新的教學模式可以使神經外科研究生更好的進行手術，更快的成長為熟練的神經外科醫生。

【關鍵詞】虛擬現實技術;神經外科;醫學教育;研究生培養

中圖分類號： G642;R651-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）20-0221-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.102

虛擬現實技術（virtual reality，VR）是全息影像技術的一種，它基于電腦技術模擬產生一個三維的虛擬空間，通過對多重感覺器官的模擬，給操作者帶來逼真的感受。VR技術具有浸潤性、互動性、多感知性、想象性、自主性等特點。隨著科學技術和社會生產力的不斷進步，各行業對VR技術的需求逐漸擴大[1]。顱腦功能的重要性要求神經外科手術醫生具有豐富的經驗。由于顱腦對于人體的重要性，神經外科研究生在手術中只能進行一些簡單的操作或者只能觀看手術，導致神經外科研究生的成長周期長，而VR技術可以建立的三維虛擬手術模擬平臺，研究生在電腦模擬的虛擬世界里自己動手完成手術，有利于縮短神經外科研究生的培養周期，造就更多優秀的神經外科手術人才[2]。

1 VR技術的概念

隨著電腦軟件硬件的進步，虛擬現實技術（virtual reality，VR）模擬產生一個三維虛擬世界，通過對聽覺、視覺、觸覺等多重感覺器官的模擬，給操作者帶來逼真的體驗。VR技術將計算機、電子信息、仿真技術于一體，其基本實現方式是計算機模擬虛擬環境從而給人以環境浸潤感。

2 VR技術的主要特征

VR技術具有浸潤性、互動性、多感知性、想象性等特征[1]。VR技術使得操作者在虛擬的空間里與外界事物產生互動，產生身在其中的感觸。

這些特征使操作者能夠進入一個由計算機生成的互動式三維虛擬世界中，并與之產生互動，進行交流。通過參與者與仿真環境的相動，借助操作者本身對所接觸事物的感受和理解，啟發操作者的思維，全方位獲取VR環境所蘊含的各種空間信息和邏輯信息。

2.1 浸潤性

浸潤性是讓操作者成為并感受自己是虛擬環境中的一部分，虛擬現實技術的浸潤性取決于操作者的感知系統，當操作者感知到VR世界的刺激時，包括視覺、觸覺、味覺、嗅覺、運動感知等，便會產生思想共鳴，產生心理浸潤，有逼真的感觸。

2.2 互動性

互動性是指操作者進入VR空間，相應的技術設備讓操作者跟環境產生互動，當操作者進行某種操作時，周圍的環境也會做出某種反應。如操作者接觸到VR空間中的物體，那么操作者手上應該能夠感受到物體的質量、質地等特征，若操作者對物體施加動作，物體的位置和形狀速度等也發生相應改變。

2.3 多感知性

在目前的技術水平下，可以進行觸覺、溫度覺、視覺、重量、表面質地等特質進行充分的仿真。從而使得VR技術具有多種感覺器官感受的模擬，也就是多感知性。VR技術將來可能增加味覺、嗅覺等感知。

2.4 想象性

想象性也稱構想性，想象可以理解為操作者進入VR空間，根據操作者的感覺與認知能力吸收知識，經過整合分析發散拓寬思維，想象出新的概念和環境，想象性可以拓寬認知范圍，想象客觀世界不存在的場景或不可能發生的意境。

3 VR技術在臨床醫學教育中的應用

目前，臨床醫學教育，仍是以口述講解、插圖、模具、標本、動物實驗教學為主，但傳統教學模式存在諸多不足，如重復利用率低、費用較高、試驗動物、標本短缺，教學模具和多媒體圖片抽象難懂等問題。VR技術可以克服相關弊端。VR系統可以循環播放并進行暫停回放等相關操作，學生在其中也會更具有積極性及主動性，而原本抽象的實物模具可以通過多角度、多切面以及與部分與整體相結合的模式進行學習和理解。學生可以通過VR平臺實習病史采集、體格檢查、閱讀影像資料、與患者溝通、相關急重癥突發情況的處理等[3-4]。1999年研發的VR患者cyberpatient開啟了了VR技術在臨床醫學的應用新時代[3]，VR技術在臨床醫學教育領域得到了飛速發展，我國的醫學領域的VR技術應用也緊跟時代步伐。“虛擬膝關節鏡手術仿真系統” 以及“肝虛擬手術系統”已成功申請專利，都發揮了VR技術在醫學教育領域的作用，新一代VR系統的研發也是如火如荼[5]。

4 VR技術對神經外科研究生手術培養的作用

由于顱腦解剖的復雜性，各種神經外科輔助技術如內鏡、顯微鏡、導航等不斷應用于手術，神經外科手術也越來越復雜，越來越微創。對神經外科醫師的要求越來越高，其培養周期也越長。VR技術不僅避免真實手術所帶來的各種風險，還可以彌補傳統教學資源的不足。通過建立相關的神經外科手術的VR模擬平臺，神經外科研究生可以在VR世界內進入顱腦的內部，打破時空條件的限制，不僅可以隨時暫停、循環播放反復學習， 還可以進行多角度動態觀察，提高神經外科研究生的空間想象力及學習積極性，且通過在VR平臺上練習一些復雜的手術操作，增加手術熟練度，縮短神經外科醫生的培養周期。

4.1 研發完善的顱腦手術模擬平臺

VR技術是技術手段，要達到神經外科臨床醫學教育應用目的，需要VR技術工程師與神經外科專家一起合作，建立完善的三維顱腦手術模擬平臺系統。首先，可根據現階段神經外科亞專科分類分為神經腫瘤手術、腦血管病手術、功能神經外科手術等，神經外科研究生可以根據自己的亞專業方向進行選擇性訓練。其次，每一個顱腦手術模擬平臺還需要運用云計算、大數據理念，輸入大量實際的病人相關參數以及化驗檢查等，以最大程度的模擬真實手術過程。現階段的VR技術已實現對于顱腦解剖模擬平臺的完全仿真，把影像檢測設備終端的CT、MRI、DSA等數據通過醫學數字成像和通信（digital imaging and communications in medicine）標準數據接口將影像信息輸入到VR技術操作平臺上，經圖像處理軟件高速處理2D圖像數據，經相應的軟件處理自動生成三維顱腦解剖模擬平臺，如在dgosczhry工作站上，已成功應用在10例中央區膠質瘤手術[6]。在顱腦解剖模擬平臺的基礎上，繼續建立相關亞專業顱腦手術模擬平臺系統，以應用于醫學教育領域。

4.2 多感覺器官人機互動模擬真實手術環境

模擬顱腦手術，僅靠視覺是不夠的，還需要聽覺、觸覺等感覺器官系統的強化。因此在建立了完善的顱腦手術模擬平臺的基礎上，觸覺的模擬可以利用筆桿式反饋系統產生一個力量感知維度，模擬手術刀、電鉆、雙極電凝等器械自由運動時，操作者可以感覺到不同器械操作產生的力量差異，這樣可以很好模擬出手術器械的質感，解決了VR手術模擬中最大困難。此外還可以模擬手術室環境中的聲音，如心電監護儀聲、呼吸機聲等，以及不同手術器械如電凝、電鉆的發聲等。運用觸覺、聽覺進行人機互動，創建的虛擬神經外科手術仿真訓練系統，不止模擬出真實的視覺感受，還可以虛擬出一個包含運動、觸覺、聽覺等多感覺器官反饋的手術環境，讓操作者達到逼真的感受[7-8]。

5 結語

目前VR技術仍然處于起步階段，由于軟硬件的制約，相關人機互動系統還不完善。一個完整的VR神經外科研究生臨床培養平臺，不僅需要有系統的神經外科疾病的分類模擬平臺以及相關手術治療的分類模擬平臺，還需要結合多感覺器官的模擬，充分發揮VR技術的浸潤性、互動性與想象性的優勢，通過VR技術提高研究生的學習積極性，增強實踐操作能力，讓研究生逼真的模擬相關手術操作，降低實驗成本以及相關風險，縮短神經外科醫生培養周期，讓更多的患者能夠享受到規范安全的專業治療。

【參考文獻】

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