基于虛擬現實技術的下肢骨折手術應急訓練系統設計

陳友志，范曉志

基于虛擬現實技術的下肢骨折手術應急訓練系統設計

陳友志1，范曉志2

（1.米蘭理工大學，米蘭 20158；2.北京工商大學，北京 100048）

針對虛擬現實技術的優勢及特點，以下肢骨折手術中突發靜脈出血為例，探討虛擬現實技術在手術應急訓練領域的創新應用。方法 首先以虛擬現實技術的理論和其在醫學領域的應用現狀為基礎，通過分析骨科手術中的風險因素及傳統手術仿真訓練方式在突發狀況訓練方面存在的缺陷，提出虛擬現實技術應用手術應急訓練領域的必要性。然后采用用戶訪談及文獻研究等方法建立手術相關的醫療數據庫，最后基于Unreal Engine 4 軟件開發出虛擬手術應急訓練系統，并且針對可穿戴的交互設備進行創新設計。結論 虛擬現實技術在下肢骨折手術應急訓練領域的應用是一個新的研究方向。基于虛擬現實技術的手術應急訓練系統不僅可以實現傳統的手術仿真模擬訓練，而且可以實現手術中的應急反應訓練，從而提高醫生在手術中的操作技能和應急反應能力。它解決了傳統手術訓練方式難以實現應急反應訓練的問題，具有操作簡單，成本低及體驗感強等特點。

VR技術；應急反應；觸覺反饋；手術訓練；虛擬現實；下肢骨折手術

隨著社會的不斷發展，虛擬現實技術的應用及價值越來越得以體現，被廣泛應用于文物修復、游戲娛樂及醫學領域，并取得了顯著成效。虛擬現實技術在醫學領域的應用更是推動了醫學的快速發展，解決了手術仿真模擬和虛擬解剖教學等醫學難題，打破了傳統醫學技術無法攻克的壁壘。本文在調研虛擬現實技術與醫學結合現狀的基礎上，以下肢骨折手術中突發靜脈出血為例，尋找虛擬現實技術在手術應急訓練方面應用的可能性，推動虛擬現實技術與醫學的共同發展。

1 虛擬現實技術概述

虛擬現實技術就是我們耳熟能詳的VR，它是Virtual Reality的縮寫，中文的意思就是虛擬現實，主要以信息技術為核心，將人們的視覺、觸覺及聽覺等融為一體的沉浸交互式虛擬環境，用戶可以通過VR眼鏡和VR手柄等設備進入虛擬環境并與虛擬物體進行交互。虛擬現實技術還可以通過仿真的技術手段構建生活中難以實現的場景，給人身臨其境的體驗[1]。近年來隨著計算機技術的飛速發展，虛擬現實技術已經在眾多領域展現了自身的價值，例如虛擬現實技術在數字化博物館構建過程中的應用，可以讓游客置身虛擬的博物館中與博物館及其展品之間進行虛擬的交互，產生共鳴，提升游客的參觀體驗感[2]。還有基于虛擬現實技術構建的竹編產品展示平臺解決了竹編產品設計過程中生產廠家與訂購客戶之間的設計溝通障礙，實現了竹編產品設計的虛擬展示與評估，該平臺不僅縮短了竹編產品的設計周期而且推動了竹編產業的發展[3]。虛擬現實技術已成為當下熱門的技術之一，它正以獨特的優勢改變著我們的生活。

2 虛擬現實技術在醫學領域的應用現狀

在醫學領域，虛擬現實技術的應用主要表現在醫學解剖教學及手術仿真模擬兩個方面。在醫學解剖教學方面，VR技術正在影響著傳統的醫學教育方式。傳統的解剖教學模式主要為圖譜解剖和尸體解剖，但隨著學生數量的激增與人體圖譜資源的匱乏讓醫學解剖教學領域陷入了尷尬的境地[4]，此外尸體數量有限且存在細菌感染的風險。虛擬現實技術可以構建出虛擬的人體及器官，醫學生可以更加簡單直觀地認識人體器官，身臨其境地感受人體器官的位置和功能，擺脫對傳統圖譜解剖資源的依賴和對尸體的恐懼[5]。

在手術仿真模擬方面，虛擬現實技術由于不受尸體標本、場地等因素限制，相對之前的手術訓練模式，在培訓費用、培訓流程及培訓效果等方面具有明顯的優勢。例如基于VR外設的沉浸式手術訓練仿真系統研究，該研究以髖關節置換手術為背景，在虛擬手術仿真系統的基礎上，引入VR相關的交互外設并通過單通道大屏幕立體投影顯示構建出一個沉浸式的虛擬手術環境，最終可以利用VR外設完成虛擬髖關節置換手術的交互仿真訓練[6]。還有基于VR技術的胃鏡模擬操作系統研究，將VR技術應用在了消化內鏡治療領域，通過一系列的精心設計，該系統可以在虛擬空間中還原胃鏡檢查的整個過程，給醫生帶來真實的操作體驗，提升醫生的操作技能[7]。

綜上所述，虛擬現實技術在醫學解剖教學和手術仿真模擬領域已經取得了不錯的成效，并且虛擬現實技術與醫學的結合也促進了彼此的發展。隨著科技水平的不斷提高，虛擬現實技術在醫學領域的進一步應用仍然值得我們去探索。

3 虛擬現實技術與手術應急訓練結合的必要性

外科手術俗稱開刀，泛指外科醫師操作外科設備，進入人體或其他生物組織，以外力方式排除病變、改變構造或植入外來物的處理過程[8]。從外科手術的定義中就可以看出它的專業性、復雜性及突發性。近年來隨著社會的迅速發展，工作壓力、環境污染和不規律飲食等因素嚴重影響著人們的身心健康，導致人們患病的幾率越來越高，患病程度越來越嚴重。普通吃藥打針的治療方法已經不能滿足患者的病癥需求，越來越多的疾病需要通過手術治療，然而由于手術過程中所存在的突發因素，導致手術的結果不一定成功。

黑龍江省七臺河市七煤醫療中心新興醫院曾對骨科手術中存在的風險因素進行過研究[9]，該次研究選取了2015年4月至2016年4月期間在該院接受骨科手術的60例患者作為研究對象，采取回顧性分析的方式對60例患者的臨床資料進行了分析。研究結果表明，30例患者在手術過程中遇到過突發狀況事件，占總研究人數的50%，其中醫務人員對醫療器械或材料使用不當引發風險事件的有10例，手術之前醫護人員與患者及家屬溝通不當引發風險事件的有15例，手術過程中醫務人員處理不當引發風險事件的有2例，其他原因引發風險事件的有3例，見表1。

通過上述案例可以看出骨科手術中引發風險事件的因素是多方面的，其中40%的風險因素來源醫生在手術過程中的操作不當。此外手術過程中發生突發狀況的案例還有很多，突發狀況所造成的患者病癥加重或者死亡的情況也時有發生，例如首都醫科大學附屬北京朝陽醫院在給患者進行下肢骨折手術“驅血”時突發肺栓塞死亡一例[10]。面對手術過程中的突發狀況，醫生在術前的訓練和準備工作就顯得尤為重要。

表1 骨科手術風險因素分析

如果醫生在進行手術之前可以進行各種突發狀況的應急訓練，增加自身的經歷與體驗，那么在實際手術過程中遇到類似或者相同的突發情況時，將會做出更加理性和正確的處理，保證手術順利完成。因此對醫生而言，手術中突發狀況的應急訓練是非常有必要的。

由于突發狀況的多元性、復雜性及突發性等特點，傳統的手術仿真訓練方式對手術突發狀況的訓練仍然存在很多的缺陷。一是沉浸式交互環境的缺乏，傳統的手術仿真訓練主要是醫護人員在現實環境中操作手術仿真設備來進行的，無法還原手術室、手術器械及病人等手術場景，醫護人員無法全身心投入訓練。二是手術交互操作的復雜性和局限性，通常手術仿真訓練設備主要由人體局部模型，手術器械模擬裝置，顯示屏及鼠標等硬件組成，醫護人員需要一邊觀察顯示屏中的人體組織，一邊控制鼠標或者手術器械模擬裝置等設備在顯示屏中的人體組織上進行手術操作，這種訓練方式不僅非常不便，還會給醫生帶來錯誤的交互反饋，例如醫護人員在訓練過程中的直接交互對象是鼠標或手術器械模擬裝置等設備，無法和病人及手術場景進行直接的交互，因此無法形成有效的觸覺反饋和肌肉記憶。三是設備的專用性，目前市場上大部分的手術仿真設備仍然處于“一病一設備”的研發階段，一臺設備無法進行多種類型或不同疾病的手術訓練，醫護人員需要根據自身的需求選擇相應的設備進行訓練。然而手術中病人的突發狀況并不一定是由某一種特定的疾病引起的，這和病人的既往病史、體質及手術環境等因素密切相關。此外，現有的手術仿真訓練設備也存在體積較大、價格昂貴及多次訓練容易引起硬件設備損壞等問題，所以目前的手術仿真訓練方式無法為醫護人員提供有效的手術突發狀況訓練。

基于虛擬現實技術的沉浸性、交互性及多感知性等優勢，可以構建出虛擬的手術環境并通過VR外設為醫護人員提供真實的交互反饋。一方面，虛擬現實技術主要通過計算機進行程序的編寫和控制，可以隨時根據需求對訓練系統進行修改和完善，相比之前的手術仿真訓練設備，它的應用更加靈活，不受硬件和場地的限制。另一方面，虛擬現實技術在應急訓練領域的應用效果顯著，例如基于VR技術的大學生宿舍

火災應急演練系統設計，通過VR技術對火災現場的情景進行虛擬展示，讓學生能夠真實感受到火災的迅猛和危害，通過系統內置的火災知識教育功能來提升學生在火災面前的快速反應和處理能力[11]。

針對上述挑戰及虛擬現實技術在應急訓練領域所獨有的優勢，利用虛擬現實技術構建一套虛擬的手術應急訓練系統，對訓練醫生在手術中面對突發狀況的應急反應能力，緩解上述問題非常有幫助。

4 虛擬手術應急訓練系統的創新設計

虛擬手術應急訓練系統的設計主要分為三個階段，第一階段是搭建手術相關的醫療數據庫及虛擬場景，第二階段是手術應急訓練系統的使用流程設計，第三階段是系統相關的交互設備創新設計，主要包括可穿戴的VR眼鏡和VR手套，見圖1。為了更有針對性地探討虛擬現實技術在手術應急訓練領域的應用，此次研究以下肢骨折手術中突發靜脈出血作為案例，針對具體的手術突發狀況進行詳細的方案設計。

4.1 虛擬手術應急訓練系統數據庫及場景的建立

虛擬手術場景和突發狀況的構建離不開標準化的醫療數據，為了保證設計方案的科學性及規范性，研究小組在前期調研的基礎上，通過對當地醫院的骨科專家進行用戶訪談并結合文獻研究等方法，獲取了系統構建過程中所需要的醫療數據。其內容主要包括四大方面：一是關于下肢骨折手術方面的基本數據獲取，例如手術所需要的醫療器械及場景布置，手術的基本操作流程及相關操作規范等。二是關于人體基本構造的數據獲取，例如人體下肢骨架的形態、位置及周圍組織等。三是關于下肢骨折手術中突發狀況方面的數據獲取，主要包括下肢骨折手術中突發靜脈出血的相關信息，例如引發靜脈出血的臨床原因，不同類型靜脈血管的出血狀態及出血量對患者生理變化的影響等。四是關于突發狀況處理規范的數據獲取，例如針對不同臨床原因引發的下肢骨折手術靜脈出血的正確處理規范等。

通過調研得知，大靜脈出血雖然看起來不如動脈出血劇烈，但是出血速度和出血量并不少，而且較大的靜脈裂口，還可能發生致命的空氣栓塞。一旦發生大靜脈出血，醫護人員可以先用紗布或者手指壓迫控制出血，迅速清除手術區的血液和凝血塊，待人員、器械及血源都準備就緒后，慢慢自壓迫邊緣開始尋找破裂血管進行縫合或者修補治療[12]。針對中小靜脈出血的處理，可以直接對出血點進行結扎，無法確定出血點的可以用干紗布壓迫止血，如果不影響其他操作可暫不進一步處理，持續壓迫15-20分鐘，絕大部分中小靜脈出血可停止。此外出血量的不同也將直接影響患者生理數據的變化，例如脈率、血壓及呼吸等[13]，具體情況見表2。患者生理數據的變化也會對醫生的處理方式產生一定的影響，后期會將這部分數據轉化為可視化的元素輸入系統，最大程度還原真實的手術突發狀況，更有利于醫生的應急反應訓練。

圖1 虛擬手術應急訓練系統的設計思路

表2 出血量對患者生理數據的影響

圖2 虛擬的手術場景

在前期醫療數據調研的基礎上，利用Unreal Engine 4軟件制作了虛擬的手術室場景、手術器械、手術設備和病人等虛擬模型，見圖2。中期通過軟件將手術中突發狀況方面的數據轉化為代碼輸入到系統中，例如靜脈出血的狀態及出血量對患者生理數據的影響等信息。后期該系統內設的突發狀況可以與醫療大數據保持同步，確保突發狀況數據庫的真實性和時效性。

4.2 虛擬手術應急訓練系統的使用流程設計

虛擬手術場景和突發狀況數據庫制作完成后，根據前期用戶訪談的專家意見開始構建系統的使用流程。目前系統中共包含手術技能訓練和應急反應訓練兩種模式，本文只針對后者展開研究。用戶選擇應急反應訓練模式后，可以繼續根據科室、手術及突發狀況的種類進行不同層級的選擇，確定具體的突發狀況來進行應急反應訓練，見圖3。以下肢骨折手術中突發靜脈出血為例，用戶首先需要根據科室選擇骨科，然后根據骨科相關的手術種類選擇下肢骨折手術，最后根據下肢骨折手術包含的突發狀況種類選擇靜脈血管出血，選擇完成之后就可以開始進行相應的應急反應訓練。

用戶通過佩戴VR外設進入虛擬手術應急訓練系統之后，在手術訓練場景的交互界面中可以自由選擇手術所需的各種器械，實時監測患者的生理數據變化。例如在下肢骨折手術中突發靜脈出血，患者的生理數據會隨著失血量的變化而變化，系統會盡可能還原患者在突發狀況中的真實反映，有利于用戶更好地判斷患者的生命狀況，從而進行針對性的處理。此外，系統中的突發狀況會在手術過程中隨機選擇適當的時間點自動發生，符合真實突發狀況的突發性等特點。以下肢骨折手術中大靜脈血管突發出血為例，當突發狀況發生時，用戶可以憑借自己的經驗和手術預案進行處理，系統會對用戶的處理結果進行自動評判，用戶也可以通過系統內置的指導視頻學習正確的處理方法，從而更好地提高在手術過程中的應急反應能力，見圖4。

圖3 虛擬手術應急訓練系統的運行流程

圖4 下肢骨折手術中大靜脈血管突發出血的訓練過程

4.3 用戶可穿戴交互設備設計

通過對上述案例的研發和分析發現虛擬手術應急訓練系統對訓練醫生的應急反應能力和提高手術技能具有一定的幫助，但現階段的系統仍然存在一定的缺陷。由于技術條件的限制，測試過程中所使用的VR外設均為普通的VR眼鏡和手柄，虛擬場景中手部模型的點擊、移動及拖拽等動作都是用戶控制VR手柄來完成的。醫生在進行手術訓練的時候，手部是醫生向患者做出決策的重要傳遞部位，如果醫生通過VR手柄進行手術訓練，無法獲得有效且正確的力反饋和肌肉記憶。例如現階段虛擬手部模型抓握手術刀及切開患者皮膚的操作是用戶抓握VR手柄及按壓手柄上的相關按鍵實現的，但現實中用戶手部的觸覺反饋來源于VR手柄而不是手術刀，所以這種觸覺反饋就是錯誤的，醫生不僅無法獲得正確的肌肉記憶而且訓練效果也大打折扣。因此開發一款具有觸覺反饋功能的VR手套非常有必要，它可以更加真實地還原手術過程中醫生的手部運動和觸覺反饋，有利于醫生更好地記憶訓練過程，從而應用到實際的手術中。

目前市場上的VR手套已經實現將現實中手部的運動傳送到虛擬的空間中，主要依靠兩個元器件，第一個元器件是慣性傳感器，主要位于VR手套的手指關節處和掌心處，它可以將現實中手指的彎曲動作傳送到虛擬空間中。第二個元器件是IMU運動追蹤模塊，它位于手套背部的手腕處，可以將現實中手部的移動動作傳送到虛擬空間。這兩個元器件的結合就將現實中手部的移動和手指的彎曲動作傳送到虛擬的空間中，讓虛擬空間中的手部模型完成現實中手部的動作。但是VR手套的觸覺反饋技術目前仍處于研究階段，例如具有力反饋的外骨骼手套設計研究，采用力矩電機通過鋼絲繩帶動手指關節處的固結點進行傳動，當在虛擬空間中手部模型觸碰到虛擬物體外圍或對物體施加力時，系統會將觸覺信息反饋給手套的控制模塊，然后力矩電機會帶動鋼絲繩卷起，對手指施加外力，產生力的反饋[14]。首先，從造型方面來講，這種外骨骼手套因為使用了機械連桿的機構，手套的使用和攜帶都非常笨重；其次，從觸覺反饋方面來講，只能提供手指彎曲時的束縛力，無法提供手掌面和手指面的觸覺反饋。此外，傳統的VR眼鏡由于造型笨重，長時間佩戴會給使用者造成疲勞和不適。

圖5 新型VR眼鏡和VR手套模型

圖6 VR手套力反饋技術的工作原理

針對上述問題，研究小組設計了新型的VR眼鏡和VR手套來更好地配合虛擬手術應急訓練系統的運行，見圖5。新型的VR眼鏡造型簡約輕便，使用無線連接方式，解決了傳統VR眼鏡的線纜束縛和佩戴疲勞感等問題，而且內置微型揚聲器，可以近距離地讓用戶聽到虛擬手術場景中產生的聲音。此外針對現有VR手套在觸覺反饋方面的不足，研究小組設計了一種新型的力反饋模塊來實現VR手套的觸覺反饋功能，力反饋模塊主要設置在手套的五個手指和手掌部分，模塊的表面有很多微小的半球體，這些半球體受系統的控制上下運動。當醫生在現實環境中使用手術器械時，醫生的手部與手術器械之間會存在作用力與反作用力，正是由于力的作用，醫生的手部才會感受到觸覺反饋，所以VR手套中的力反饋模塊就是通過對手部皮膚施加作用力來實現觸覺反饋的。例如當用戶在虛擬系統中使用注射器時，系統中的手部模型與注射器之間會先產生一定區域的接觸信號，然后系統將手部模型接觸區域的信號反饋給VR手套，VR手套中的力反饋模塊會控制相應區域的半球體上升，對用戶的手部皮膚施加力的作用，產生觸覺反饋，見圖6。

基于新型VR外設的優勢，用戶可以在虛擬手術應急訓練系統中更加方便和高效地進行訓練。例如新型的VR外設均采用無線連接方式，用戶進入虛擬的手術場景后，可以任意移動和行走，從不同角度觀察病人和執行手術操作。當用戶佩戴新型的VR手套執行拿放手術器械，按壓病人靜脈血管及縫合傷口等操作時，只需要通過手部的移動和手指彎曲等動作即可實現。例如在手術器械選擇步驟，用戶只需要通過手指的滑動和點擊即可實現該操作，擺脫了傳統 VR 手柄的操作局限性和復雜性，使訓練更加靈活及真實。此外，新型的VR外設還可以給用戶帶來全方位的感官體驗，以用紗布壓迫血管控制出血的步驟為例，用戶可以看到血液的出血狀態，聽到操作中產生的聲音，感受到來自紗布及病人的力反饋，獲得視覺、聽覺及觸覺等方面的感受。

5 結語

本文主要以下肢骨折手術中突發靜脈出血為例，探討了當下熱門的虛擬現實技術與手術應急訓練領域結合的可能性，在綜合調研的基礎上利用Unreal Engine 4引擎創建出了虛擬的手術環境及手術突發狀況等醫療數據庫，讓醫生可以在VR外設的輔助下進入虛擬的手術室進行應急反應能力的訓練，以此來解決醫生在手術中遇到突發狀況時處理失誤的問題。此外，針對現有VR外設存在的問題，此次研究設計了新型的VR眼鏡和手套，尤其是一種力反饋模塊的創新應用，可以讓用戶在訓練過程中獲得真實的力反饋體驗，逐步實現在視覺、聽覺及觸覺等方面完美還原真實場景。目前，虛擬現實技術在手術應急訓練領域的應用仍然處于探索階段，雖然此次研究仍未涵蓋所有的手術突發狀況訓練，但是為后期虛擬現實技術在醫學及應急反應領域的應用提供了一種新的思路和參考。

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Design of Emergency Training System for Lower Limb Fracture Surgery Based on Virtual Reality Technology

CHEN You-zhi1, FAN Xiao-zhi2

(1. Politecnico di Milano, Milan 20158, Italy; 2. Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China)

According to the advantages and characteristics of virtual reality technology, take the sudden venous he-morrhage in the operation of lower limb fracture as an example, this paper discusses the innovative application of virtual reality technology in surgery emergency training. Firstly, based on the theory of virtual reality technology and its application status in the medical field, by analyzing the risk factors in orthopaedic surgery and the defects of traditional surgical simulation training in emergency training, proposing the necessity of applying virtual reality technology to the field of surgical emergency training. Then, using the methods of user interview and literature research to establish surgery related medical databases. Finally, the virtual surgery emergency training system is developed based on Unreal Engine 4 software, and designing innovative wearable interactive devices. The application of virtual reality technology in emergency training of lower limb fracture surgery is a new research direction. The system of surgery emergency training based on virtual reality technology can not only realize the traditional operation simulation training, but also realize the emergency response training in operation. It can improve the operation skills and emergency response ability of doctors in operation. It solves the problem that traditional surgical training is difficult to achieve emergency response training, and has the characteristics of simple operation, low cost and strong experience.

VR technology; emergency response; tactile feedback; surgery training; virtual reality; surgery of lower limb fracture

TB472

A

1001-3563(2022)02-0152-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.02.019

2021-10-24

陳友志（1996—），男，山東人，米蘭理工大學碩士生，主攻方向為產品設計及可持續設計。

范曉志（1971—），男，河北人，碩士，北京工商大學講師，主要研究方向為智能控制。