潘新華,譚 珂

中國人民解放軍總醫(yī)院教育技術(shù)中心,北京 100853

1 虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真技術(shù)的特點(diǎn)和前沿研究領(lǐng)域

1.1 虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真技術(shù)的特點(diǎn)

虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真技術(shù)綜合了醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)器人技術(shù)、實(shí)時(shí)分布系統(tǒng)、人機(jī)交互、心理學(xué)、控制學(xué)、電子學(xué)和多媒體技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的理論和技術(shù)[1]。它針對(duì)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)建立逼真的視、聽、觸覺一體化的仿真環(huán)境,通過必要的交互設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)于虛擬人體器官在虛擬手術(shù)器械作用下各種變化的模擬和對(duì)操作人員各種感官反饋(如視覺反饋和力反饋等)的模擬,以自然的方式與仿真環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互操作,獲得身臨其境的感受和體驗(yàn)。虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真技術(shù)可廣泛應(yīng)用于手術(shù)方案設(shè)計(jì)、手術(shù)規(guī)劃、仿真訓(xùn)練和術(shù)后效果評(píng)估等方面。該技術(shù)具有以下特點(diǎn):

1.1.1 依托于人體的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù) 該技術(shù)建模的數(shù)據(jù)來源于人體的真實(shí)醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù),具有數(shù)據(jù)量大、個(gè)體化差異大、來源豐富的特點(diǎn)。

1.1.2 對(duì)幾何模型解剖結(jié)構(gòu)要求精細(xì)、準(zhǔn)確 由于手術(shù)仿真操作多針對(duì)人體具體的組織,包括:臟器、神經(jīng)、血管等,所以在幾何建模時(shí),需要精細(xì)、準(zhǔn)確的表現(xiàn)人體的解剖結(jié)構(gòu)。

1.1.3 交互對(duì)象為體現(xiàn)軟組織物理行為的人體模型 與其他領(lǐng)域的仿真不同,在交互過程中,這些模型多體現(xiàn)為軟組織的物理特性,如彈性形變、組織撕裂、流血等。

1.1.4 實(shí)時(shí)力反饋交互復(fù)雜而精確 由于交互對(duì)象為生物體模型,所以需建立復(fù)雜的模擬彈性的生物力學(xué)模型,同時(shí)對(duì)觸覺反饋的實(shí)時(shí)性和精確性要求高。

1.1.5 復(fù)雜的生物學(xué)生理模型 為仿真人體真實(shí)的病理、生理特征,以及在仿真操作下,模擬各項(xiàng)生理指標(biāo)的實(shí)時(shí)變化,要求建立復(fù)雜的生物學(xué)生理模型。

1.2 虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真技術(shù)的前沿研究領(lǐng)域

1.2.1 個(gè)體化、多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù) 醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)和分割是人體幾何模型三維重建的基礎(chǔ)。為滿足針對(duì)具體病例的個(gè)體化精確模型重建,從同一個(gè)體的多模態(tài)、大容量、細(xì)節(jié)豐富的影像數(shù)據(jù)中快速、準(zhǔn)確地獲取感興趣的輪廓信息是醫(yī)學(xué)圖像處理研究的熱點(diǎn)。

1.2.2 大范圍軟組織形變 基于大范圍形變的軟組織物理模型由于數(shù)據(jù)量大、非線性特性、計(jì)算復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求高,一直是研究的難點(diǎn),隨著圖形硬件的性價(jià)比大幅提升,該領(lǐng)域的研究已取得初步成果。

1.2.3 多自由度的力反饋傳感技術(shù) 根據(jù)醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真中模擬的醫(yī)療手術(shù)器械的不同,力學(xué)傳感有時(shí)甚至需要有6自由度以上的反饋,尤其是旋轉(zhuǎn)扭矩的力反饋輸出是研究的前沿,同時(shí)最大輸出力、空間的高分辨率、非線性精確傳感也是研究的難點(diǎn)。

1.2.4 基于復(fù)雜系統(tǒng)的生理學(xué)建模技術(shù) 人體作為復(fù)雜的生命體,其生理變化具有很大的不確定性,建立基于復(fù)雜系統(tǒng)的生理學(xué)模型手術(shù)仿真是醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真的最高階段。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的多家大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)均在虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真領(lǐng)域開展了研究,其中比較有影響的是:南方醫(yī)科大學(xué)和第三軍醫(yī)大學(xué)[2]分別開展的虛擬人和數(shù)字化可視人研究;廈門大學(xué)開展的虛擬器官的手術(shù)仿真系統(tǒng)研究[3];解放軍總醫(yī)院與國防科技大學(xué)開發(fā)完成了虛擬鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)仿真系統(tǒng)[4]和膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)仿真系統(tǒng)[5],并在臨床訓(xùn)練中進(jìn)行了應(yīng)用;北京航空航天大學(xué)和上海交通大學(xué)在手術(shù)導(dǎo)航、力反饋器等方面開展了研究;浙江大學(xué)和青島大學(xué)[6]在軟組織形變和力反饋計(jì)算方面取得了一定的成果;中科院自動(dòng)化所研制了三維醫(yī)學(xué)影像仿真分析軟件3DMed[7]和基于力反饋的虛擬手術(shù)刀;香港中文大學(xué)研制了中醫(yī)針灸仿真治療系統(tǒng);廣州珠江醫(yī)院[8]和華南師范大學(xué)在肝臟切除手術(shù)模擬中應(yīng)用了仿真系統(tǒng)等。

國內(nèi)各單位在虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真中的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)處理、幾何建模、物理建模、實(shí)時(shí)人機(jī)交互、力反饋計(jì)算、模型形變、傳感器研發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域均取得了豐碩的成果,并且已經(jīng)取得了相當(dāng)數(shù)量的技術(shù)專利和軟件著作權(quán),部分手術(shù)仿真器和仿真系統(tǒng)已經(jīng)在臨床手術(shù)、教學(xué)訓(xùn)練、治療方案設(shè)計(jì)與評(píng)估等方面進(jìn)行了應(yīng)用。

2.2 國外研究現(xiàn)狀

國外的多家研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司在手術(shù)仿真領(lǐng)域開展的相關(guān)研究有:美國華盛頓大學(xué)的人機(jī)接口技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一個(gè)用于訓(xùn)練內(nèi)窺鏡的瘺管手術(shù)的仿真模擬器,該仿真模擬器能夠提供與復(fù)雜的體數(shù)據(jù)直觀交互和觸覺反饋;美國的Teeranoot[9]等設(shè)計(jì)了基于有限元軟組織切割的手術(shù)仿真器;日本的Yusuke[10]等設(shè)計(jì)了高質(zhì)量體可視化的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng);德國的Fuchs[11]等采用CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建并對(duì)兒童肝臟血管畸形設(shè)計(jì)了手術(shù)仿真治療規(guī)劃系統(tǒng);Schwartz等為手術(shù)仿真開發(fā)了非線性肝組織模型;以色列的圣拜安尼公司、瑞典的Mentice公司和美國的 Immersion公司采用標(biāo)準(zhǔn)病例數(shù)據(jù)模型推出了商業(yè)化的腹腔鏡、心臟介入治療等醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真器。

2.3 醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真器的發(fā)展趨勢(shì)

2.3.1 多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像融合和處理 醫(yī)學(xué)影像具有多源、多維、多模態(tài)、異構(gòu)信息等特點(diǎn),而采用單一數(shù)據(jù)源構(gòu)建的人體三維模型具有解剖結(jié)構(gòu)不精確,某些特定的組織不能清晰顯示等缺點(diǎn),如:CT數(shù)據(jù)中的膽管輪廓。近年來,采用多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像融合處理技術(shù)建模成為發(fā)展趨勢(shì)。它能從同一個(gè)體多數(shù)據(jù)源獲取信息,重建的模型能夠精確地描述解剖結(jié)構(gòu),使人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能信息、三維表面掃描模型等多元數(shù)據(jù)能夠反映在一個(gè)模型中,從而更加準(zhǔn)確、直觀地為醫(yī)師提供人體解剖、生理、病理等信息,為手術(shù)仿真提供一個(gè)全面、精確、量化的人體信息模型。

2.3.2 從形態(tài)到生理功能的仿真建模 以往的研究均是以仿真人體的幾何形態(tài)模型為主,主要繪制和展現(xiàn)人體的解剖結(jié)構(gòu),而目前的趨勢(shì)是從基礎(chǔ)的幾何形態(tài)建模向復(fù)雜的生理功能建模發(fā)展[12]。醫(yī)學(xué)生理功能學(xué)上的研究主要是應(yīng)用了生物系統(tǒng)的仿真與模擬,是從生物控制論發(fā)展而來的。由于絕大多數(shù)生物系統(tǒng)是非線性系統(tǒng),混沌理論等非線性理論被大量用于生物系統(tǒng)的分析中。例如:血壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)、瞳孔調(diào)節(jié)系統(tǒng)、血糖調(diào)節(jié)系統(tǒng)、肝臟功能系統(tǒng)模型等都是基于生理功能的仿真建模。

2.3.3 個(gè)體化手術(shù)模擬仿真和演練 以往的研究多針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)病例或解剖數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和手術(shù)仿真模擬,主要應(yīng)用于手術(shù)訓(xùn)練與教學(xué)。目前的發(fā)展趨勢(shì)是針對(duì)個(gè)體化的病人真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,應(yīng)用于術(shù)前診斷、術(shù)前計(jì)劃、仿真演練和術(shù)后分析評(píng)估,直接為具體病例的實(shí)際臨床手術(shù)和治療服務(wù)。

2.3.4 遠(yuǎn)程手術(shù)仿真與協(xié)同 由多個(gè)操作者在不同地域的遠(yuǎn)程手術(shù)虛擬仿真是新的研究趨勢(shì)。在遠(yuǎn)程協(xié)同的模擬手術(shù)場(chǎng)景下,病人可以是虛擬的或真實(shí)的,或者是二者的綜合。操作者可以是本地的或遠(yuǎn)程的,可以親自待在手術(shù)所在地,也可以遠(yuǎn)程遙控在手術(shù)場(chǎng)所工作的機(jī)器人,甚至可以由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生虛擬的操作者,來為手術(shù)提供指導(dǎo)和幫助。這種遠(yuǎn)程手術(shù)仿真與協(xié)同環(huán)境可以讓位于不同地點(diǎn)的多位專家相互合作,對(duì)手術(shù)過程進(jìn)行計(jì)劃和仿真預(yù)演,甚至對(duì)病人進(jìn)行實(shí)際的手術(shù)治療。

3 國內(nèi)研究的優(yōu)勢(shì)與薄弱領(lǐng)域

3.1 國內(nèi)的優(yōu)勢(shì)

3.1.1 醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)資源豐富,應(yīng)用前景廣闊 中國人口數(shù)量為世界之最,全國僅三級(jí)以上醫(yī)院就有1 000多家,醫(yī)學(xué)影像、臨床病例、手術(shù)操作等醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)量非常龐大,為手術(shù)仿真器的研發(fā)提供了豐富的數(shù)據(jù)資源和廣闊的應(yīng)用前景。

3.1.2 醫(yī)學(xué)圖形圖像處理研究深入廣泛 國內(nèi)高校、科研院所等研究機(jī)構(gòu)在醫(yī)學(xué)圖形圖像處理領(lǐng)域展開了深入的研究并取得了豐碩的成果[13],每年在國際頂級(jí)刊物和學(xué)術(shù)會(huì)議上均發(fā)表了多篇高水平論文。

3.1.3 虛擬仿真理論體系完備 經(jīng)過多年的技術(shù)積累和理論實(shí)踐,在虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真領(lǐng)域建立了完備的理論體系,開發(fā)出了一系列的仿真器、仿真系統(tǒng)產(chǎn)品。

3.2 國內(nèi)的薄弱領(lǐng)域

3.2.1 生理功能模型缺乏 國內(nèi)的研究中多偏重于幾何模型和物理模型的建立,針對(duì)人體復(fù)雜系統(tǒng)的生理功能模型還較缺乏。

3.2.2 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的力反饋交互設(shè)備缺乏或性能不足 雖然有個(gè)別研究機(jī)構(gòu)開發(fā)了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的力反饋交互設(shè)備,但是在多自由度、定位精度、力矩范圍、空間范圍等方面還與國外產(chǎn)品有一定差距。

3.2.3 缺乏商業(yè)化的仿真系統(tǒng)、仿真器產(chǎn)品 國內(nèi)虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真系統(tǒng)和仿真器的科學(xué)研究項(xiàng)目較多,取得了一定的理論成果,但是以樣機(jī)居多,已在臨床手術(shù)實(shí)踐中應(yīng)用的還偏少,更是缺乏商業(yè)化的型號(hào)產(chǎn)品。

4 未來發(fā)展優(yōu)先、重點(diǎn)扶持的領(lǐng)域

4.1 多模態(tài)醫(yī)學(xué)圖像處理和快速三維繪制技術(shù)

針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像模態(tài)多、數(shù)據(jù)量大、細(xì)節(jié)豐富等特點(diǎn),研究多數(shù)據(jù)源醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)融合、自動(dòng)分割技術(shù),解決軟組織模型建立及其實(shí)時(shí)繪制問題,快速生成醫(yī)學(xué)模型精細(xì)的三維圖像,保障醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真應(yīng)用的沉浸感和交互性。

4.2 仿真人體的形態(tài)和生理功能一體化建模方法

基于人體的多模態(tài)醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù),結(jié)合各組織器官及功能系統(tǒng)的幾何特性、物理特性和生理特性,研究逼真的仿真人體形態(tài)和生理功能一體化建模方法,以真實(shí)表現(xiàn)人體模型的物理和生理行為,支持手術(shù)規(guī)劃、治療仿真、結(jié)果預(yù)測(cè)與評(píng)估等應(yīng)用。

4.3 遠(yuǎn)程手術(shù)仿真環(huán)境一致性處理技術(shù)

為解決我國手術(shù)診療水平地域間極度不平衡問題,應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展遠(yuǎn)程手術(shù)仿真技術(shù),研究遠(yuǎn)程手術(shù)仿真環(huán)境中的信息實(shí)時(shí)同步傳輸和一致性處理技術(shù),為遠(yuǎn)程手術(shù)指導(dǎo)與協(xié)作、方案設(shè)計(jì)規(guī)劃、遠(yuǎn)程培訓(xùn)等的應(yīng)用提供服務(wù)。

4.4 手術(shù)仿真中的觸覺力反饋交互技術(shù)

為保證手術(shù)仿真的臨場(chǎng)感,研究操作者、定位器、力反饋設(shè)備和虛擬人體交互的觸覺模型[14]、力反饋模型,研究快速的碰撞檢測(cè)算法,開發(fā)精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、多自由度、響應(yīng)范圍寬的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)力反饋設(shè)備。

近年來,隨著虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真技術(shù)的迅速發(fā)展,在多模態(tài)圖像處理的引入、物理和生理功能建模、個(gè)體化手術(shù)規(guī)劃與仿真、遠(yuǎn)程仿真環(huán)境構(gòu)建、真實(shí)感力反饋計(jì)算等前沿研究方面,國內(nèi)外的多家研究機(jī)構(gòu)投入了大量人力、物力進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和臨床應(yīng)用。我國973計(jì)劃、863計(jì)劃和國家科技支撐計(jì)劃等高水平科研項(xiàng)目指南均將該領(lǐng)域的研究列入支持內(nèi)容,我們有理由相信:隨著相關(guān)研究的進(jìn)展和技術(shù)的進(jìn)步,虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的典型應(yīng)用,將在模擬仿真訓(xùn)練、手術(shù)方案設(shè)計(jì)、手術(shù)規(guī)劃、量化計(jì)算分析和術(shù)后效果評(píng)估等領(lǐng)域產(chǎn)生更廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。

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