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1、计算机图形学应用虚拟手术虚拟手术简介 虚拟手术是利用各种医学影像数据，利用虚拟现实技术在计算机中建立一个模拟环境，医生借助虚拟环境中的信息进行手术计划、训练，以及实际手术过程中引导手术的新兴学科。虚拟手术（Virtual Surgery-VS）作为正在发展起来的研究方向，是集医学、生物力学、机械学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机械力学、材料学、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域。其目的是：使用计算机技术（主要是计算机图形学与虚拟现实）来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，在时间段上包括了术前、术中、术后，在实现的目的上有手术计划制定，手术排练演习，手术教学，手术技能训练，
2、术中引导手术、术后康复等。虚拟手术这个研究方向目前正在逐步形成之中，与之相关的一些研究方向主要有：医学可视化，医学增强现实，医用机器人，手术模拟，图象引导手术，计算机辅助手术等。使用虚拟手术充分体现虚拟现实作为计算机图形学在医学治疗过程中的作用，充分体现了人机交互和真实感。国外也有称此方向为虚拟手术室或医学虚拟现实。虚拟手术研究背景 虚拟手术系统在医学上的应用起源于医务人员对复杂的三维医学解剖体数据的可视化需求，进而发展到能对重建的数据进行实时操作，以建立可供手术和手术前规划使用的虚拟环境。在手术教学和仿真训练等方面，虚拟手术系统有着令人鼓舞的应用前景。虚拟手术研究对象 虚拟手术现实系统在软件
3、方面的研究对象主要包括:1、基于计算机图形学的虚拟环境几何建模和仿真;2、基于复杂对象物理特性的运动学和动力学建模及可视化仿真;3、基于人类感官的传感信息描述和仿真;4、基于虚拟现实技术的科学可视化;5、人机交互界面的智能化及自然化。虚拟手术研究现状 随着技术的发展，最初的计算机辅助手术系统已经发展到可以针对不同的外科手术进行辅助计划，由原来的导航、观摩形式，发展成为具有可操作、可交互的虚拟仿真系统。日本及欧美国家一直在虚拟手术仿真领域处于领先地位。最近澳大利亚科学家也研制出一种“虚拟手术系统”,可以让年轻的实习医生们用虚拟的手术刀练习给一个虚拟人体动手术,以提高医术水平。医生在使用它时,感觉
4、就像是真的在给病 人动手术,手术器械切入肌肉组织、碰到骨头等触感都非常逼真。这种虚拟手术系统名叫“触感手术台”,它由一个3D成像系统和一个机械臂组成。系统使用详细的解剖学及人体数据模拟出一个逼真的高解析度3D“虚拟人体”,医生戴上3D眼镜,坐在手术台前,握住机械臂的一端,就可以对眼镜中看到的虚拟人体进行操作。根据不同需要,医生可把机械臂在视野中调节为不同的工具形象。此外，还有一些研究机构和商业公司也开发了许多辅助软件产品，其中比较著名的有 MIT 的 David T.Gering 等开发的 3DSlicer以及比利时 Materialise 公司开发的系列软件产品，它们将多种方式集中于一个系统
5、环境中，可以实现配准，半自动的分割，表面模型生成，三维可视化和定量分析，并且可以实现术前的手术计划和术间的手术导航，并在临床中得到了成功应用。国内在计算机辅助手术系统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维仿真、三维绘制以及软组织模拟等。虚拟手术的主要用途 1、模拟手术方案 手术方案能够利用图像数据，帮助医生合理、定量地制定手术方案，对于选择最佳手术路径、减小手术损伤、减少对临近组织损害、提高肿瘤定位精度、执行复杂外科手术和提高手术成功率等具有十分重要的意义。虚拟手术系统可以预演手术的整个过程以便事先发现手术中问题。虚拟手术系统能够使得医生能够依靠术前获得的医学影像信息，建立三
6、维模型，在计算机建立的虚拟的环境中设计手术过程，进刀的部位，角度，提高手术的成功率。手术教学训练80%的手术失误是人为因素引起的，所以手术训练极其重要。医生可在虚拟手术系统上观察专家手术过程，也可重复实习。虚拟手术使得手术培训的时间大为缩短，同时减少了对昂贵的实验对象的需求。由于虚拟手术系统可为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的训练环境，力反馈绘制算法能够制造很好的临场感，所以训练过程与真实情况几乎一致，尤其是能够获得在实际手术中的手感。计算机还能够给出一次手术练习的评价。在虚拟环境中进行手术，不会发生严重的意外，能够提高医生的协作能力。术中导航与术中监护 介入治疗是在手术过程中进行荧光透视法
7、、超声、MR下，在图象的引导下进行定位。而虚拟手术的手术导航无须在介入环境下，将计算机处理的三维模型与实际手术进行定位匹配，使得医生看到的图象既有实际图象，又叠加了图形，属于计算机增强现实。如手术使用了第二种成像手段，例如内窥镜，则将实时观测的图象与术前CT或MRI进行匹配定位融合，对齐两个坐标系并显示为图形，引导医生进行手术。1.2 术中导航与术中监护 1.3 保护医生 对于医务人员来说,面临较危险的操作,如在感染或放射情况下,采取精确复杂的虚拟手术干预将是十分必要的。采用虚拟临场技术可以使医生免受射线的侵害。1.4 降低手术费用 现代外科医疗检测系统造价昂贵,医疗成本也很高。虚拟手术能够减少手术探索的盲目性,减少机体损伤,缩短病人的恢复周期,降低病人和医院的开支。虚拟手术不受手术设备的制约。1.5建造定制的修复拟合模型 虚拟手术能够设计植入器官(对人工假体的设计)。例如计算机能够帮助医生在进行髋骨更换手术前,可通过非破坏性的三维成像对其尺寸和形状进行精确测量,然后定制髋骨,这样可以把因尺寸不合 格而重新开刀的比例从30%降到5%。1.6 远程干预 虚拟手术与远程干预将能够使手术室中的外科医生实时地获得远程专家的交互式会诊。交互工具可以使顾问医生把靶点投影于患者身上来帮助指导主刀外科医生的操作,或通过遥控帮助操纵仪器。这样使专家们技能的发挥不受空间距离的限制。
