孫鵬飛 張彬 孫文娟 陳振雨

·綜 述·

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在整形外科中的應(yīng)用與展望

孫鵬飛1張彬2孫文娟3陳振雨1

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門新興的學(xué)科，近年來這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)逐漸在醫(yī)學(xué)上得到應(yīng)用?，F(xiàn)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念、特征以及當(dāng)前該技術(shù)在整形外科領(lǐng)域的應(yīng)用（如手術(shù)模擬、醫(yī)師培訓(xùn)、臨床教學(xué)）進(jìn)行闡述，對(duì)未來虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在整形外科領(lǐng)域的應(yīng)用與展望作一綜述。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；整形外科；遠(yuǎn)程手術(shù)；遠(yuǎn)程醫(yī)療；培訓(xùn)工具；多點(diǎn)執(zhí)業(yè)；遠(yuǎn)程會(huì)議

1 引言

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality,VR）一詞是在1989年由VPL Research公司的奠基人Jaron Lanier首先提出的[1]。但早在1965年，Robert Mann就已經(jīng)提出要在醫(yī)學(xué)中建立VR系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于康復(fù)工程的想法[2]?？梢?，VR技術(shù)在萌芽階段就已經(jīng)與醫(yī)學(xué)結(jié)下了不解之緣。進(jìn)入21世紀(jì)，VR技術(shù)取得了飛速發(fā)展，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也日漸廣泛[3]。本文就VR技術(shù)在整形外科中的應(yīng)用與展望作一綜述，以期為同行們提供參考。

2 VR的概念與特征

VR技術(shù)原是美國(guó)軍方研發(fā)的一種訓(xùn)練士兵的電腦技術(shù)[4]，它集合計(jì)算機(jī)、傳感與測(cè)量、仿真、微電子等先進(jìn)技術(shù)于一體[5]，利用三維圖形生成技術(shù)、多傳感交互技術(shù)以及高分辨顯示技術(shù)，生成三維逼真的虛擬環(huán)境，用戶可戴上特制的頭盔、數(shù)據(jù)手套等傳感設(shè)備，或使用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備，便可進(jìn)入到虛擬場(chǎng)景里面，還可以進(jìn)行即時(shí)互動(dòng)，感知和操作虛擬場(chǎng)景中的某些對(duì)象，由此可獲得身臨其境的體會(huì)。近年來，VR技術(shù)發(fā)展迅速，目前在消費(fèi)市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位的是臉譜網(wǎng)的Oculus和HTC的VIVE[6]，二者功能十分相似。

VR技術(shù)的特征簡(jiǎn)而言之是3個(gè)“I”構(gòu)成的三角形，即“Immersion—Interaction—Imagination（沉浸—交互—構(gòu)想）”[7]。國(guó)內(nèi)將其概括為4大基本特征：(1)多感知性。VR系統(tǒng)中裝有多種傳感及反應(yīng)裝置，用戶在虛擬場(chǎng)景中可有視、聽、觸、動(dòng)等多種感知，以此獲得身臨其境的體會(huì)。(2)沉浸感。指用戶會(huì)暫時(shí)脫離外界環(huán)境，沉浸到虛擬世界中去。(3)交互性。指用戶可以通過輸入或感知設(shè)備與VR系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)“對(duì)話”。(4)構(gòu)想性。VR系統(tǒng)可拓寬人類認(rèn)知范圍，不僅可再現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景，也可以構(gòu)建客觀不存在的環(huán)境。

3 VR技術(shù)在整形外科中的應(yīng)用

3.1 整形外科手術(shù)模擬 VR技術(shù)在整形外科的應(yīng)用首先用于手術(shù)的模擬[8]。早在20世紀(jì)80年代早期，Platt和Badler就利用一個(gè)包含皮膚、肌肉和骨骼的3層模型模擬了人的面部。1996年，Pieper根據(jù)CT和MRI掃描的患者圖像數(shù)據(jù)資料，創(chuàng)造出一個(gè)有豐富細(xì)節(jié)信息的面部模型，根據(jù)這一模型創(chuàng)造的計(jì)算機(jī)輔助整形手術(shù)系統(tǒng)，可對(duì)面部軟組織的整形手術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和可視化，從而預(yù)示手術(shù)的結(jié)果[9]。

如今的整形外科手術(shù)模擬是尖端圖像采集技術(shù)，新穎的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的繪制算法，與圖像數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的物理建模技術(shù)和實(shí)時(shí)的、高性能的、多處理器的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)系統(tǒng)等多種高新科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物[10]。術(shù)者可將患者的面部數(shù)據(jù)輸入VR設(shè)備，從而模擬出患者的面部模型，術(shù)者利用手套等輸入設(shè)備進(jìn)行模擬手術(shù)。在虛擬的外科整形修復(fù)手術(shù)過程中，人體模型可以顯示出不適當(dāng)?shù)耐饪剖中g(shù)反應(yīng)（如引起鼻、嘴和眼瞼等的扭曲失真）及可能引起的并發(fā)癥，從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)手術(shù)結(jié)果，以此來改進(jìn)手術(shù)方案，設(shè)計(jì)出更加適合患者的手術(shù)方案[11]。

3.2 整形外科醫(yī)師的培訓(xùn)工具 目前，VR技術(shù)對(duì)整形外科醫(yī)師的成長(zhǎng)也起到了非常重要的作用[12]，傳統(tǒng)的整形外科手術(shù)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)是按照“師傅教徒弟”的方式進(jìn)行的，有經(jīng)驗(yàn)的整形外科醫(yī)師通過“我做你看”的方式訓(xùn)練初學(xué)者。而教學(xué)內(nèi)容在很大程度上依賴于臨床上遇到患者的類型，具有隨機(jī)性、不可預(yù)見性和不系統(tǒng)性。初學(xué)者在真正成為主刀醫(yī)師之前，只能通過觀看的方式來學(xué)習(xí)，缺少臨床的操作。VR技術(shù)的應(yīng)用可虛擬出1例患者，為初學(xué)者提供一個(gè)真實(shí)性的練習(xí)環(huán)境。通過自身多種感官的感知來了解和學(xué)習(xí)各種手術(shù)的實(shí)際操作[13]。VR技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于年輕醫(yī)師來說可以短時(shí)間內(nèi)掌握各種手術(shù)技巧[14]，避免了由于年輕醫(yī)師技術(shù)不熟練導(dǎo)致的醫(yī)療事故，減少了醫(yī)療糾紛[15]。而且依據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)建出的手術(shù)專家系統(tǒng)可以在訓(xùn)練中進(jìn)行必要的提示和指導(dǎo)，極大地提高了培訓(xùn)質(zhì)量[16]，高效地提高初學(xué)者的手術(shù)及其他操作技能[17]。

3.3 整形外科的教學(xué)工具 VR技術(shù)也可作為整形外科的教學(xué)工具[18]。醫(yī)學(xué)生可以在虛擬的環(huán)境中練習(xí)與患者的溝通能力，可以與整形外科著名的專家教授進(jìn)行交流學(xué)習(xí)，也可以在老師的帶領(lǐng)下生動(dòng)真實(shí)地學(xué)習(xí)解剖、生理、病理等醫(yī)學(xué)課程[19]。如芝加哥大學(xué)建造了一臺(tái)人體虛擬解剖電腦，學(xué)生利用VR技術(shù)在虛擬的組織和器官間進(jìn)行操作,這使學(xué)生可以快速地掌握人體的解剖結(jié)構(gòu)知識(shí)[20]。

4 未來VR技術(shù)在整形外科領(lǐng)域的展望

4.1 遠(yuǎn)程醫(yī)療及多點(diǎn)執(zhí)業(yè) 遠(yuǎn)程醫(yī)療是VR技術(shù)綜合多媒體計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)、電視會(huì)議系統(tǒng)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)等技術(shù)，把各大醫(yī)療中心、專科醫(yī)院等聯(lián)系起來，使患者的資料通過網(wǎng)路傳送給各地的醫(yī)師、專家，各位醫(yī)師和專家根據(jù)這些資料實(shí)時(shí)地返回診斷意見和治療建議。遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)縮小了地域環(huán)境、醫(yī)療水平和醫(yī)療設(shè)備的差別，為患者、醫(yī)師和醫(yī)護(hù)工作者之間創(chuàng)造一個(gè)虛擬環(huán)境，大家通過VR系統(tǒng)在虛擬環(huán)境中進(jìn)行面對(duì)面的實(shí)時(shí)交談，可以為患者提供更加優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)[21]。

通過VR技術(shù)，使得醫(yī)師的多點(diǎn)執(zhí)業(yè)也變的異常容易，醫(yī)師可以在家中，也可以在醫(yī)院的辦公室，只要帶上特制的頭盔，就可以見到任何地方他想要見到的患者，并且與患者在虛擬的環(huán)境里面對(duì)面的交談，為患者提出自己專業(yè)的醫(yī)療建議[22]。澳大利亞Volgina醫(yī)學(xué)研究所的一個(gè)研究小組已經(jīng)研制了一套基于VR用戶接口的多模式交互式EEG/MEG遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)環(huán)境[23]。相信在不久的將來，在VR技術(shù)基礎(chǔ)上的遠(yuǎn)程醫(yī)療及多點(diǎn)執(zhí)業(yè)一定會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

4.2 遠(yuǎn)程手術(shù) VR技術(shù)可與機(jī)器人技術(shù)聯(lián)合研制遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)[24]，美國(guó)軍方早在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)在開發(fā)遠(yuǎn)程虛擬手術(shù)系統(tǒng)[25]。有學(xué)者提出這樣的設(shè)想，外科醫(yī)師在虛擬人體模型上進(jìn)行手術(shù)操作，醫(yī)師身上所帶的傳感器感受他的動(dòng)作，傳感器收集到的動(dòng)作信號(hào)可以經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳遞給一個(gè)接受信號(hào)的手術(shù)機(jī)器人,機(jī)器人通過信號(hào)指令對(duì)宇航員進(jìn)行手術(shù)[26]。

相信在不久的將來，整形外科醫(yī)師也可以通過VR遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)在自己所在的醫(yī)院為世界各地的患者實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)。整形外科醫(yī)師通過VR技術(shù)，在虛擬的環(huán)境中對(duì)患者進(jìn)行整形手術(shù)，他的動(dòng)作就可以通過衛(wèi)星傳送給遠(yuǎn)方的手術(shù)機(jī)器人，手術(shù)機(jī)器人根據(jù)醫(yī)師傳遞的信號(hào)進(jìn)行手術(shù)操作[27]，而且手術(shù)的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)畫面也可以通過機(jī)器人上的攝像機(jī)拍攝傳遞并在虛擬環(huán)境中呈現(xiàn)，使得整形外科醫(yī)師如同身臨其境地為患者做手術(shù)。

4.3 參加遠(yuǎn)程會(huì)議 對(duì)于一名整形外科醫(yī)師來說，參加會(huì)議是了解世界整形外科先進(jìn)技術(shù)的重要途徑。但由于工作、家庭、經(jīng)濟(jì)原因，往往會(huì)錯(cuò)過很多重要的會(huì)議。如果各大會(huì)議都有VR直播，那么對(duì)于整形外科醫(yī)師來說絕對(duì)是一大福音。不用旅途奔波，只需帶上特制的頭盔，進(jìn)入VR技術(shù)創(chuàng)造出的會(huì)議虛擬現(xiàn)場(chǎng)，輕輕松松地了解世界先進(jìn)的科研成果。根據(jù)現(xiàn)在的VR技術(shù)，直播一場(chǎng)學(xué)術(shù)會(huì)議絕對(duì)不是天方夜譚，只是直播費(fèi)用可能會(huì)高出普通會(huì)議直播的數(shù)十倍甚至更多。期望隨著科技的發(fā)展，VR直播的成本可以降低到每一場(chǎng)學(xué)術(shù)會(huì)議都能夠直播的水平。

4.4 VR技術(shù)在整形手術(shù)前后的應(yīng)用 與上述整形外科醫(yī)師利用VR設(shè)計(jì)手術(shù)方案一樣，患者也可以根據(jù)VR技術(shù)模擬出不同手術(shù)方案的術(shù)后效果來選擇自己鐘愛的手術(shù)方案。術(shù)者在模擬手術(shù)的過程中將不同術(shù)式的預(yù)后效果保存下來，患者通過VR技術(shù)在虛擬環(huán)境中觀看術(shù)者保存下來的“術(shù)后的自己”，根據(jù)自己的喜好來選擇手術(shù)方式。而且術(shù)后也可以利用VR技術(shù)減輕患者的痛苦及心理負(fù)擔(dān)[28-29]。

4.5 患者家屬觀看手術(shù)過程 手術(shù)過程歷來對(duì)患者家屬而言都是神秘的，也因此產(chǎn)生了大量的醫(yī)療糾紛。如果在不久的將來，每一臺(tái)整形外科手術(shù)都可以進(jìn)行VR直播，患者家屬在手術(shù)過程中帶上特制的頭盔進(jìn)入虛擬的手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)，觀看手術(shù)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，筆者相信，因?yàn)橄嗷ブg不了解不信任造成的醫(yī)療糾紛將會(huì)大幅下降。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,VR技術(shù)在我國(guó)雖然起步較晚，但發(fā)展較快。通過近年來在臨床實(shí)踐中的推廣應(yīng)用，已證明其可以節(jié)省大量的時(shí)間與資源，可以更快捷、更安全地挽救生命。隨著科技的發(fā)展以及我國(guó)對(duì)VR技術(shù)的日益重視，相信VR技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用將取得更大的發(fā)展，尤其是在整形外科領(lǐng)域的應(yīng)用，前景十分廣闊?？梢灶A(yù)料，VR技術(shù)將會(huì)給傳統(tǒng)醫(yī)療形式帶來革命性的改變。

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2016-08-21）

10.3969/j.issn.1673-7040.2017.01.015.

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青島大學(xué)附屬醫(yī)院（1.美容整形外科；2.工會(huì)），山東 青島266000；3.博興縣人民醫(yī)院 內(nèi)七科，山東 濱州 256500

陳振雨，Email:czy.plastic@126.com

本文引用格式：孫鵬飛,張彬,孫文娟,等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在整形外科中的應(yīng)用與展望［J］.中國(guó)美容整形外科雜志,2017,28(1):51-52,59.