基于VR技術的3D手術操作練習模擬器的設計與開發

李菲菲

摘? 要：目的：解決醫學教學過程中相關人體等實驗材料不足的問題，提高醫學教學質量，設計出便于使用的3D手術操作練習模擬器。方法：基于VR技術，建立一個能夠提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬場景。結果：建立虛擬模型，設計出便于使用的3D手術操作練習模擬器。結論：模擬器讓使用過的使用者真實的獲得手術操作的經驗，不僅節省了稀有的現實材料，還大大的提高了現代醫學生的技術水平。

關鍵詞：虛擬現實技術;手術操作;模擬器;設計與開發

中圖分類號：TP242? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）16-0040-03

Abstract： Objective： To solve the problem of shortage of human body and other experimental materials in the process of medical teaching， improve the quality of medical teaching， and design a convenient 3D operation practice simulator. Methods： Based on VR technology， a simulation scene was established， which can provide users with visual， auditory， tactile and other senses. Results： A virtual model was established and a convenient 3D operation practice simulator was designed. Conclusion： The simulator allows users to gain real experience in surgical operation， which not only saves rare practical materials， but also greatly improves the technical level of modern medical students.

Keywords： virtual reality technology; surgical operation; simulator; design and development

1 概述

隨著如今電子信息和計算機技術的不斷進步，虛擬現實技術也作為一項新興技術得以初步發展。作為一個在眾多領域均有重大研究意義和價值的新模式，虛擬現實技術對于我國的技術創新、未來科技發展等方面有著重要作用。目前，該技術已可被初步應用于許多產業中，包括醫學領域。

虛擬現實技術越來越具有真實性和沉浸感，利用虛擬現實技術，可以有效地解決實驗條件與實驗效果之間的矛盾。將虛擬現實應用于手術訓練，解決方案不僅有效，而且前景廣闊，受訓醫學生在接受基于虛擬現實的手術技能培訓時，將結合來自視覺和操作兩方面的感受來獲得身臨其境的沉浸感[1]。

因此，本課題旨在利用虛擬現實技術進行手術操作練習模擬器的設計與開發，以加強鞏固各種手術操作的細節以及強化記憶手術操作步驟，解決當下醫學院校教學過程中因教學樣本不足而導致學生體驗不足、操作生疏等問題。

2 3D手術操作練習模擬器的設計與開發

2.1 VR技術簡介

VR技術是利用計算機模擬生成一個逼真的虛擬環境，使用者可以通過使用頭盔、數據手套等不同類型的傳感設備，為使用者提供視覺、觸覺、聽覺等感官上的模擬體驗。VR技術發展至今，被多方面運用于影視娛樂、文物保護、科研教學、安全消防等各個領域[2]。

2.2 模擬器的優勢

材料齊全，成本低。一方面解決當下醫學院校教學過程中因教學樣本不足而導致學生體驗不足、操作生疏等問題;另一方面可以解決學校實驗室空間不足、學生眾多的矛盾，可以為學校節省大量的實驗室開支。

2.3 模擬器的設計內容

首先從現有醫學圖像庫中選取合適的人體模型。體驗者能夠看到一個活生生的人。然后手動建立起人體內部各個系統的運轉，讓體驗者能夠在實驗過程中有真實畫面和現場氛圍，操作手感以及操作的練習效果。最后建立一個專門測試模擬器實驗結果的軟件，其內容分為：產品展示功能模塊，操作部位選項，測評實驗結果，校正實驗操作等功能。

2.4 建立人體模型

2.4.1 獲取人體實質器官的圖像數據

人體實質器官包括器官實質以及若干組件。采用醫用的CT或MRI醫學圖像采集設備掃描實體的人體的實質器官，以獲取人體實質器官的圖像數據[3]。

2.4.2 根據人體實質器官的圖像數據，通過計算機建立其三維數字模型

根據人體實質器官的CT或MRI圖像數據，建立人體實質器官的三維數字模型。在通過醫學圖像采集設備對人體實質器官進行掃描后，可將獲取的數據直接導入到醫學三維處理軟件中進行三維重建，以建立人體實質器官的三維數字模型[4]。

2.5 建立VR系統

一般的VR系統主要由專業圖形處理計算機、應用軟件系統、輸入設備和演示設備等組成，即人們可以通過視覺、聽覺、觸覺等信息通道感受到設計者思想的高級用戶界面。一般的VR系統結構如圖1所示：

硬件平臺：

由于虛擬世界本身的復雜性及計算實時性的要求，產生虛擬環境所需的計算量極為巨大，這對中心計算機的配置提出了極高的要求。目前，國外的VR系統一般配有SGI或SUN工作站，大型的VR系統，采用的是計算機并行處理系統。當前的研究趨于桌面虛擬現實系統，它價格較低、易于實現同時又能滿足VR的部分特征要求，因而將會得到更為廣泛的應用。

軟件系統：

軟件系統是實現VR技術應用的關鍵。VR技術在國外的應用比國內早，目前具有代表性的桌面VR技術有：Web3D中的X3D、VRML、Java 3D、Cult3D Viewpoint、Atmosphere，以及應用于服務器上的Superscape VRT、EAI Sense 8 World ToolKit、MPI Vega等，它們為VR技術在虛擬醫學系統中應用提供了工具。本發明構建一種基于VR技術的醫療手術模擬仿真系統，其中包括：（1）場景構建單元：在虛擬環境區域調取數據庫存儲單元內的數據信息將每個醫療手術對應的全部操作過程進行圖像視頻編輯，該過程包括手術過程需要的醫療器械名稱、醫療器械的數量、在實際操作過程中醫生的操作姿勢所述場景構建單元包括編輯單元，所述編輯單元將多種手術正確的操作狀況信息進行編輯后存儲在存儲器內[5]。（2）虛擬現實成像單元：包括佩戴在醫護人員頭部上的VR成像模塊、佩戴在醫護人員手上的數據信息檢測手套，所述VR成像模塊包括3D眼鏡和與該眼鏡配合使用的立體耳機以及檢測醫護人員在模擬手術過程中的唇動信息的啟動檢測模塊，所述虛擬現實成像單元還包括校正模塊。其中校正模塊可以有效指出實驗操作的錯誤過程和失誤細節，并給出準確的操作方案。圖2所示是醫療手術模擬仿真系統結構。

3 模擬器的使用

3.1 模擬器使用的流程圖（如圖3）

3.2 落實到校內課程的具體使用，調試產品的穩定性，了解師生使用建議，優化產品學生實驗課程每個學時為40分鐘，而實驗是由每組4到5名同學共同完成的。據統計，大多數虛擬實驗可以在10到15分鐘內完成，使用3D虛擬技術，教學不僅節約師生的時間，同樣可以使每位同學熟識實驗的每個細節。學生親自動手在虛擬空間內，觀察不同藥物、不同劑量、不同操作對手術結果的影響，實驗操作過程基本不受時間限制。

通過本模擬器的使用，整個實驗過程不僅記錄了實驗數據，還保留了現實實驗過程中的圖片信息以及多種可能性數據。

4 結果與結論

本論文在指導老師確認可行性的前提下，團隊成員多方面地去了解虛擬現實技術的內容和特點。基于對手術模擬領域中極具代表性的Mentice公司的MIST-VR的深入了解，與現所學專業知識相結合，掌握了其中的相關的理論基礎和實際操作意識，為本論文奠定了扎實的基礎。模擬器開發的意義在于加強鞏固各種手術操作的細節以及強化記憶手術操作步驟，解決當下醫學院校教學過程中因教學樣本不足而導致學生體驗不足、操作生疏等問題。在虛擬場景中精確模擬手術操作，從而最大程度對醫學生起到手術訓練和和術前模擬的臨場效果體驗。

我們設計的基于VR技術的3D手術模擬器，使用者使用時可以親身體驗到真實的手術中去，從視覺，聽覺，觸覺，以及嗅覺上都讓使用者去感覺到真實的存在和真實的觸感，盡量做到完美，這樣模擬器才更具有實際意義，使得模擬器更具有價值，讓使用過的使用者真實的獲得手術操作的經驗，不僅省了稀有的現實材料，還大大的提高了現代醫學生的技術水平。

參考文獻：

[1]普恩特泰合（武漢）醫療科技有限公司.一種基于VR技術的手術虛擬練習裝置：CN201821251773.7[P].2019-06-18.

[2]鐘元權，張裕生.基于VR技術的機器人離線編程技術研究[J].山東農業工程學院學報，2019，36（05）：36-40.

[3]萬磊.計算機手術輔助設計及快速成型技術在骨科的臨床應用研究[D].廣東：南方醫科大學，2009.

[4]四川英捷達醫療科技有限公司.適用于人體器官的3D模型制備方法：CN201810139373.5[P].2019-08-23.

[5]大連文森特軟件科技有限公司.一種基于VR技術的醫療手術模擬仿真系統：CN201610891628.4[P].2016-12-21.