李菲菲

摘? 要：目的：解決醫(yī)學(xué)教學(xué)過(guò)程中相關(guān)人體等實(shí)驗(yàn)材料不足的問(wèn)題，提高醫(yī)學(xué)教學(xué)質(zhì)量，設(shè)計(jì)出便于使用的3D手術(shù)操作練習(xí)模擬器。方法：基于VR技術(shù)，建立一個(gè)能夠提供使用者關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬場(chǎng)景。結(jié)果：建立虛擬模型，設(shè)計(jì)出便于使用的3D手術(shù)操作練習(xí)模擬器。結(jié)論：模擬器讓使用過(guò)的使用者真實(shí)的獲得手術(shù)操作的經(jīng)驗(yàn)，不僅節(jié)省了稀有的現(xiàn)實(shí)材料，還大大的提高了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)生的技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);手術(shù)操作;模擬器;設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也作為一項(xiàng)新興技術(shù)得以初步發(fā)展。作為一個(gè)在眾多領(lǐng)域均有重大研究意義和價(jià)值的新模式，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于我國(guó)的技術(shù)創(chuàng)新、未來(lái)科技發(fā)展等方面有著重要作用。目前，該技術(shù)已可被初步應(yīng)用于許多產(chǎn)業(yè)中，包括醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)越來(lái)越具有真實(shí)性和沉浸感，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以有效地解決實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)效果之間的矛盾。將虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于手術(shù)訓(xùn)練，解決方案不僅有效，而且前景廣闊，受訓(xùn)醫(yī)學(xué)生在接受基于虛擬現(xiàn)實(shí)的手術(shù)技能培訓(xùn)時(shí)，將結(jié)合來(lái)自視覺(jué)和操作兩方面的感受來(lái)獲得身臨其境的沉浸感[1]。

因此，本課題旨在利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行手術(shù)操作練習(xí)模擬器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，以加強(qiáng)鞏固各種手術(shù)操作的細(xì)節(jié)以及強(qiáng)化記憶手術(shù)操作步驟，解決當(dāng)下醫(yī)學(xué)院校教學(xué)過(guò)程中因教學(xué)樣本不足而導(dǎo)致學(xué)生體驗(yàn)不足、操作生疏等問(wèn)題。

2 3D手術(shù)操作練習(xí)模擬器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

2.1 VR技術(shù)簡(jiǎn)介

VR技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)模擬生成一個(gè)逼真的虛擬環(huán)境，使用者可以通過(guò)使用頭盔、數(shù)據(jù)手套等不同類(lèi)型的傳感設(shè)備，為使用者提供視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官上的模擬體驗(yàn)。VR技術(shù)發(fā)展至今，被多方面運(yùn)用于影視娛樂(lè)、文物保護(hù)、科研教學(xué)、安全消防等各個(gè)領(lǐng)域[2]。

2.2 模擬器的優(yōu)勢(shì)

材料齊全，成本低。一方面解決當(dāng)下醫(yī)學(xué)院校教學(xué)過(guò)程中因教學(xué)樣本不足而導(dǎo)致學(xué)生體驗(yàn)不足、操作生疏等問(wèn)題;另一方面可以解決學(xué)校實(shí)驗(yàn)室空間不足、學(xué)生眾多的矛盾，可以為學(xué)校節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)支。

2.3 模擬器的設(shè)計(jì)內(nèi)容

首先從現(xiàn)有醫(yī)學(xué)圖像庫(kù)中選取合適的人體模型。體驗(yàn)者能夠看到一個(gè)活生生的人。然后手動(dòng)建立起人體內(nèi)部各個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，讓體驗(yàn)者能夠在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有真實(shí)畫(huà)面和現(xiàn)場(chǎng)氛圍，操作手感以及操作的練習(xí)效果。最后建立一個(gè)專(zhuān)門(mén)測(cè)試模擬器實(shí)驗(yàn)結(jié)果的軟件，其內(nèi)容分為：產(chǎn)品展示功能模塊，操作部位選項(xiàng)，測(cè)評(píng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，校正實(shí)驗(yàn)操作等功能。

2.4 建立人體模型

2.4.1 獲取人體實(shí)質(zhì)器官的圖像數(shù)據(jù)

人體實(shí)質(zhì)器官包括器官實(shí)質(zhì)以及若干組件。采用醫(yī)用的CT或MRI醫(yī)學(xué)圖像采集設(shè)備掃描實(shí)體的人體的實(shí)質(zhì)器官，以獲取人體實(shí)質(zhì)器官的圖像數(shù)據(jù)[3]。

2.4.2 根據(jù)人體實(shí)質(zhì)器官的圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)建立其三維數(shù)字模型

根據(jù)人體實(shí)質(zhì)器官的CT或MRI圖像數(shù)據(jù)，建立人體實(shí)質(zhì)器官的三維數(shù)字模型。在通過(guò)醫(yī)學(xué)圖像采集設(shè)備對(duì)人體實(shí)質(zhì)器官進(jìn)行掃描后，可將獲取的數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入到醫(yī)學(xué)三維處理軟件中進(jìn)行三維重建，以建立人體實(shí)質(zhì)器官的三維數(shù)字模型[4]。

2.5 建立VR系統(tǒng)

一般的VR系統(tǒng)主要由專(zhuān)業(yè)圖形處理計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入設(shè)備和演示設(shè)備等組成，即人們可以通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等信息通道感受到設(shè)計(jì)者思想的高級(jí)用戶界面。一般的VR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

硬件平臺(tái)：

由于虛擬世界本身的復(fù)雜性及計(jì)算實(shí)時(shí)性的要求，產(chǎn)生虛擬環(huán)境所需的計(jì)算量極為巨大，這對(duì)中心計(jì)算機(jī)的配置提出了極高的要求。目前，國(guó)外的VR系統(tǒng)一般配有SGI或SUN工作站，大型的VR系統(tǒng)，采用的是計(jì)算機(jī)并行處理系統(tǒng)。當(dāng)前的研究趨于桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它價(jià)格較低、易于實(shí)現(xiàn)同時(shí)又能滿足VR的部分特征要求，因而將會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。

軟件系統(tǒng)：

軟件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)VR技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。VR技術(shù)在國(guó)外的應(yīng)用比國(guó)內(nèi)早，目前具有代表性的桌面VR技術(shù)有：Web3D中的X3D、VRML、Java 3D、Cult3D Viewpoint、Atmosphere，以及應(yīng)用于服務(wù)器上的Superscape VRT、EAI Sense 8 World ToolKit、MPI Vega等，它們?yōu)閂R技術(shù)在虛擬醫(yī)學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用提供了工具。本發(fā)明構(gòu)建一種基于VR技術(shù)的醫(yī)療手術(shù)模擬仿真系統(tǒng)，其中包括：（1）場(chǎng)景構(gòu)建單元：在虛擬環(huán)境區(qū)域調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)信息將每個(gè)醫(yī)療手術(shù)對(duì)應(yīng)的全部操作過(guò)程進(jìn)行圖像視頻編輯，該過(guò)程包括手術(shù)過(guò)程需要的醫(yī)療器械名稱(chēng)、醫(yī)療器械的數(shù)量、在實(shí)際操作過(guò)程中醫(yī)生的操作姿勢(shì)所述場(chǎng)景構(gòu)建單元包括編輯單元，所述編輯單元將多種手術(shù)正確的操作狀況信息進(jìn)行編輯后存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)[5]。（2）虛擬現(xiàn)實(shí)成像單元：包括佩戴在醫(yī)護(hù)人員頭部上的VR成像模塊、佩戴在醫(yī)護(hù)人員手上的數(shù)據(jù)信息檢測(cè)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(jī)以及檢測(cè)醫(yī)護(hù)人員在模擬手術(shù)過(guò)程中的唇動(dòng)信息的啟動(dòng)檢測(cè)模塊，所述虛擬現(xiàn)實(shí)成像單元還包括校正模塊。其中校正模塊可以有效指出實(shí)驗(yàn)操作的錯(cuò)誤過(guò)程和失誤細(xì)節(jié)，并給出準(zhǔn)確的操作方案。圖2所示是醫(yī)療手術(shù)模擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

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(shí)到校內(nèi)課程的具體使用，調(diào)試產(chǎn)品的穩(wěn)定性，了解師生使用建議，優(yōu)化產(chǎn)品學(xué)生實(shí)驗(yàn)課程每個(gè)學(xué)時(shí)為40分鐘，而實(shí)驗(yàn)是由每組4到5名同學(xué)共同完成的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)可以在10到15分鐘內(nèi)完成，使用3D虛擬技術(shù)，教學(xué)不僅節(jié)約師生的時(shí)間，同樣可以使每位同學(xué)熟識(shí)實(shí)驗(yàn)的每個(gè)細(xì)節(jié)。學(xué)生親自動(dòng)手在虛擬空間內(nèi)，觀察不同藥物、不同劑量、不同操作對(duì)手術(shù)結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程基本不受時(shí)間限制。

通過(guò)本模擬器的使用，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程不僅記錄了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還保留了現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的圖片信息以及多種可能性數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果與結(jié)論

本論文在指導(dǎo)老師確認(rèn)可行性的前提下，團(tuán)隊(duì)成員多方面地去了解虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的內(nèi)容和特點(diǎn)?；趯?duì)手術(shù)模擬領(lǐng)域中極具代表性的Mentice公司的MIST-VR的深入了解，與現(xiàn)所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)相結(jié)合，掌握了其中的相關(guān)的理論基礎(chǔ)和實(shí)際操作意識(shí)，為本論文奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。模擬器開(kāi)發(fā)的意義在于加強(qiáng)鞏固各種手術(shù)操作的細(xì)節(jié)以及強(qiáng)化記憶手術(shù)操作步驟，解決當(dāng)下醫(yī)學(xué)院校教學(xué)過(guò)程中因教學(xué)樣本不足而導(dǎo)致學(xué)生體驗(yàn)不足、操作生疏等問(wèn)題。在虛擬場(chǎng)景中精確模擬手術(shù)操作，從而最大程度對(duì)醫(yī)學(xué)生起到手術(shù)訓(xùn)練和和術(shù)前模擬的臨場(chǎng)效果體驗(yàn)。

我們?cè)O(shè)計(jì)的基于VR技術(shù)的3D手術(shù)模擬器，使用者使用時(shí)可以親身體驗(yàn)到真實(shí)的手術(shù)中去，從視覺(jué)，聽(tīng)覺(jué)，觸覺(jué)，以及嗅覺(jué)上都讓使用者去感覺(jué)到真實(shí)的存在和真實(shí)的觸感，盡量做到完美，這樣模擬器才更具有實(shí)際意義，使得模擬器更具有價(jià)值，讓使用過(guò)的使用者真實(shí)的獲得手術(shù)操作的經(jīng)驗(yàn)，不僅省了稀有的現(xiàn)實(shí)材料，還大大的提高了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)生的技術(shù)水平。

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