虚拟现实技术在整形外科中的应用与展望

孙鹏飞 张彬 孙文娟 陈振雨

·综 述·

虚拟现实技术在整形外科中的应用与展望

孙鹏飞1张彬2孙文娟3陈振雨1

虚拟现实技术是一门新兴的学科，近年来这项技术已经逐渐在医学上得到应用。现对虚拟现实技术的概念、特征以及当前该技术在整形外科领域的应用（如手术模拟、医师培训、临床教学）进行阐述，对未来虚拟现实技术在整形外科领域的应用与展望作一综述。

虚拟现实技术；整形外科；远程手术；远程医疗；培训工具；多点执业；远程会议

1 引言

虚拟现实（virtual reality,VR）一词是在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就已经提出要在医学中建立VR系统，并将其应用于康复工程的想法[2]。可见，VR技术在萌芽阶段就已经与医学结下了不解之缘。进入21世纪，VR技术取得了飞速发展，在医学领域的应用也日渐广泛[3]。本文就VR技术在整形外科中的应用与展望作一综述，以期为同行们提供参考。

2 VR的概念与特征

VR技术原是美国军方研发的一种训练士兵的电脑技术[4]，它集合计算机、传感与测量、仿真、微电子等先进技术于一体[5]，利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，用户可戴上特制的头盔、数据手套等传感设备，或使用键盘、鼠标等输入设备，便可进入到虚拟场景里面，还可以进行即时互动，感知和操作虚拟场景中的某些对象，由此可获得身临其境的体会。近年来，VR技术发展迅速，目前在消费市场占据主导地位的是脸谱网的Oculus和HTC的VIVE[6]，二者功能十分相似。

VR技术的特征简而言之是3个“I”构成的三角形，即“Immersion—Interaction—Imagination（沉浸—交互—构想）”[7]。国内将其概括为4大基本特征：(1)多感知性。VR系统中装有多种传感及反应装置，用户在虚拟场景中可有视、听、触、动等多种感知，以此获得身临其境的体会。(2)沉浸感。指用户会暂时脱离外界环境，沉浸到虚拟世界中去。(3)交互性。指用户可以通过输入或感知设备与VR系统进行实时“对话”。(4)构想性。VR系统可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实场景，也可以构建客观不存在的环境。

3 VR技术在整形外科中的应用

3.1 整形外科手术模拟 VR技术在整形外科的应用首先用于手术的模拟[8]。早在20世纪80年代早期，Platt和Badler就利用一个包含皮肤、肌肉和骨骼的3层模型模拟了人的面部。1996年，Pieper根据CT和MRI扫描的患者图像数据资料，创造出一个有丰富细节信息的面部模型，根据这一模型创造的计算机辅助整形手术系统，可对面部软组织的整形手术进行设计、分析和可视化，从而预示手术的结果[9]。

如今的整形外科手术模拟是尖端图像采集技术，新颖的计算机图形学的绘制算法，与图像数据相关联的物理建模技术和实时的、高性能的、多处理器的计算机图形学系统等多种高新科学技术的产物[10]。术者可将患者的面部数据输入VR设备，从而模拟出患者的面部模型，术者利用手套等输入设备进行模拟手术。在虚拟的外科整形修复手术过程中，人体模型可以显示出不适当的外科手术反应（如引起鼻、嘴和眼睑等的扭曲失真）及可能引起的并发症，从而准确预测手术结果，以此来改进手术方案，设计出更加适合患者的手术方案[11]。

3.2 整形外科医师的培训工具 目前，VR技术对整形外科医师的成长也起到了非常重要的作用[12]，传统的整形外科手术训练和学习是按照“师傅教徒弟”的方式进行的，有经验的整形外科医师通过“我做你看”的方式训练初学者。而教学内容在很大程度上依赖于临床上遇到患者的类型，具有随机性、不可预见性和不系统性。初学者在真正成为主刀医师之前，只能通过观看的方式来学习，缺少临床的操作。VR技术的应用可虚拟出1例患者，为初学者提供一个真实性的练习环境。通过自身多种感官的感知来了解和学习各种手术的实际操作[13]。VR技术的应用对于年轻医师来说可以短时间内掌握各种手术技巧[14]，避免了由于年轻医师技术不熟练导致的医疗事故，减少了医疗纠纷[15]。而且依据专家的经验技术创建出的手术专家系统可以在训练中进行必要的提示和指导，极大地提高了培训质量[16]，高效地提高初学者的手术及其他操作技能[17]。

3.3 整形外科的教学工具 VR技术也可作为整形外科的教学工具[18]。医学生可以在虚拟的环境中练习与患者的沟通能力，可以与整形外科著名的专家教授进行交流学习，也可以在老师的带领下生动真实地学习解剖、生理、病理等医学课程[19]。如芝加哥大学建造了一台人体虚拟解剖电脑，学生利用VR技术在虚拟的组织和器官间进行操作,这使学生可以快速地掌握人体的解剖结构知识[20]。

4 未来VR技术在整形外科领域的展望

4.1 远程医疗及多点执业 远程医疗是VR技术综合多媒体计算机通信网络、电视会议系统、现代医学等技术，把各大医疗中心、专科医院等联系起来，使患者的资料通过网路传送给各地的医师、专家，各位医师和专家根据这些资料实时地返回诊断意见和治疗建议。远程医疗系统缩小了地域环境、医疗水平和医疗设备的差别，为患者、医师和医护工作者之间创造一个虚拟环境，大家通过VR系统在虚拟环境中进行面对面的实时交谈，可以为患者提供更加优质的医疗服务[21]。

通过VR技术，使得医师的多点执业也变的异常容易，医师可以在家中，也可以在医院的办公室，只要带上特制的头盔，就可以见到任何地方他想要见到的患者，并且与患者在虚拟的环境里面对面的交谈，为患者提出自己专业的医疗建议[22]。澳大利亚Volgina医学研究所的一个研究小组已经研制了一套基于VR用户接口的多模式交互式EEG/MEG远程数据处理系统环境[23]。相信在不久的将来，在VR技术基础上的远程医疗及多点执业一定会成为现实。

4.2 远程手术 VR技术可与机器人技术联合研制远程手术系统[24]，美国军方早在20世纪90年代就已经在开发远程虚拟手术系统[25]。有学者提出这样的设想，外科医师在虚拟人体模型上进行手术操作，医师身上所带的传感器感受他的动作，传感器收集到的动作信号可以经网络传递给一个接受信号的手术机器人,机器人通过信号指令对宇航员进行手术[26]。

相信在不久的将来，整形外科医师也可以通过VR远程手术系统在自己所在的医院为世界各地的患者实施远程手术。整形外科医师通过VR技术，在虚拟的环境中对患者进行整形手术，他的动作就可以通过卫星传送给远方的手术机器人，手术机器人根据医师传递的信号进行手术操作[27]，而且手术的实时现场画面也可以通过机器人上的摄像机拍摄传递并在虚拟环境中呈现，使得整形外科医师如同身临其境地为患者做手术。

4.3 参加远程会议 对于一名整形外科医师来说，参加会议是了解世界整形外科先进技术的重要途径。但由于工作、家庭、经济原因，往往会错过很多重要的会议。如果各大会议都有VR直播，那么对于整形外科医师来说绝对是一大福音。不用旅途奔波，只需带上特制的头盔，进入VR技术创造出的会议虚拟现场，轻轻松松地了解世界先进的科研成果。根据现在的VR技术，直播一场学术会议绝对不是天方夜谭，只是直播费用可能会高出普通会议直播的数十倍甚至更多。期望随着科技的发展，VR直播的成本可以降低到每一场学术会议都能够直播的水平。

4.4 VR技术在整形手术前后的应用 与上述整形外科医师利用VR设计手术方案一样，患者也可以根据VR技术模拟出不同手术方案的术后效果来选择自己钟爱的手术方案。术者在模拟手术的过程中将不同术式的预后效果保存下来，患者通过VR技术在虚拟环境中观看术者保存下来的“术后的自己”，根据自己的喜好来选择手术方式。而且术后也可以利用VR技术减轻患者的痛苦及心理负担[28-29]。

4.5 患者家属观看手术过程 手术过程历来对患者家属而言都是神秘的，也因此产生了大量的医疗纠纷。如果在不久的将来，每一台整形外科手术都可以进行VR直播，患者家属在手术过程中带上特制的头盔进入虚拟的手术现场，观看手术的每一个环节，笔者相信，因为相互之间不了解不信任造成的医疗纠纷将会大幅下降。

5 结束语

综上所述,VR技术在我国虽然起步较晚，但发展较快。通过近年来在临床实践中的推广应用，已证明其可以节省大量的时间与资源，可以更快捷、更安全地挽救生命。随着科技的发展以及我国对VR技术的日益重视，相信VR技术在医学上的应用将取得更大的发展，尤其是在整形外科领域的应用，前景十分广阔。可以预料，VR技术将会给传统医疗形式带来革命性的改变。

［1］陈贵远,罗从风,王继成.虚拟现实技术在现代医学中的应用进展[J].上海医学,2006,9(6):408-411.

［2］钟季康.医学虚拟现实-21世纪的挑战[J].中国医疗器械杂志,2003,27(3):166-168.

［3］Bordnick PS,Carter BL,Traylor AC.What virtual reality research in addictions can tell us about the future of obesity assessment and treatment[J].J Diabetes Sci Technol,2011,5(2):265-271.

［4］黄国秀.虚拟现实及其在现代医学中的应用[J].医院管理论坛，2009,26(6):61-64.

［5］徐升,唐庆玉.虚拟现实技术在医学中的应用[J].国外医学（生物医学工程分册），2001,24(2):4954.

［6］Hamacher A,Kim SJ,Cho ST,et al.Application of virtual,augmented and mixed reality to urology[J].Int Neurourol J,2016,20(3):172-181.

［7］李国武.虚拟现实技术（VRML）在晶体结构教学及结构分析中的应用[J].计算机与现代化,2003,23(2):16.

［8］WillaertWI,AggarwalR,VanHerzeeleI,etal.Recent advancements in medical simulation:patient-specific virtual realitysimulation[J].World J Surg,2012,36(7):1703-1712.

［9］Rosen JM,Soltanian H,Redett R,et al.The evolution of virtual reality[J].Stud Health Technol Inform,1996,29:16-22.

［10］Larson EB,Feigon M,GagliardoP,et al.The imperative formedical simulation[J].Proceedings ofthe IEEE,1998,86(3):479-483.

［11］Rosen JM,Soltanian H,Redett R,et al.Virtual reality and cognitive rehabilitation:a review of current outcome research[J].NeuroRehabilitation,2014,34(4):759-772.

［12］Alaker M,Wynn GR,Arulampalam T.Virtual reality training in laparoscopic surgery:a systematic review&meta-analysis[J].Int J Surg,2016,29:85-94.

［13］Aïm F,Lonjon G,Hannouche D,et al.Effectiveness of virtual reality training in orthopaedic surgery[J].Arthroscopy,2016,32(1):224-232.

［14］Ikonen TS,Antikainen T,Silvennoinen M,et al.Virtual realitysimulator training of laparoscopic cholecystectomies-a systematic review[J].Scand J Surg,2012,101(1):5-12.

［15］Våpenstad C,Buzink SN.Procedural virtual reality simulation in minimallyinvasive surgery[J].SurgEndosc,2013,27(2):364-377.

［16］Larsen CR,Oestergaard J,Ottesen BS,et al.The efficacy of virtual reality simulation training in laparoscopy:a systematic review of randomized trials[J].Acta Obstet Gynecol Scand,2012,91(9):1015-1028.

［17］刘文霞,王树杰,张继伟.虚拟现实技术在医学上的应用[J].生物医学工程学杂志,2007,24(4):946-949.

［18］Wang LL,Wu HH,Bilici N,et al.Gunner goggles:implementing augmented realityintomedical education[J].Stud Health Technol Inform,2016,220:446-449.

［19］Burden C,Oestergaard J,Larsen CR.Integration of laparoscopic virtual-realitysimulationintogynaecologytraining[J].BJOG,2011,118 Suppl 3:5-10.

［20］Bricken M.Virtual reality learning environments potentials and challenges[J].Computer Graphics,1997,25(3):178.

［21］ChiricoA,Lucidi F,De Laurentiis M,et al.Virtual realityin health system:beyond entertainment.a mini-reviewon the efficacy of VR duringcancer treatment[J].J Cell Physiol,2016,231(2):275-287.

［22］刘聚卑,庄天戈.虚拟现实在医学上的应用[J].北京生物医学工程,2000,19(1):47-54.

［23］Emil Jovano.Multimodal viewer for telemedical applications[J].Proc 20th Ann Intern Confer IEEE EngMeb BiolSoc,1998,20(3):1254.

［24］Khan R,Aydin A,Khan MS,et al.Simulation-based training for prostate surgery[J].BJUInt,2015,116(4):665-674.

［25］Green PS.Telepresence surgery[J].IEEE EngMed BiolMag,1996,14(3):324.

［26］Hughes-Hallett A,Pratt P,Mayer E,et al.Image guidance for all-TilePro display of 3-dimensionally reconstructed i mages in roboticpartialnephrectomy[J].Urology,2014,84(1):237-242.

［27］Ghani KR,Trinh QD,Sammon J,et al.Robot-assisted urological surgery:currentstatusandfutureperspectives[J].ArabJUrol,2012,10(1):17-22.

［28］HoffmanHG,ChambersGT,MeyerWJ3rd,etal.Virtualrealityasan adjunctive non-pharmacologic analgesic for acute burn pain during medicalprocedures[J].AnnBehavMed,2011,41(2):183-191.

［29］Dombeck DA,Reiser MB.Real neuroscience in virtual worlds[J].CurrOpinNeurobiol,2012,22(1):3-10.

2016-08-21）

10.3969/j.issn.1673-7040.2017.01.015.

10.3969/j.issn.1673-7040.2017.01.015

青岛大学附属医院（1.美容整形外科；2.工会），山东 青岛266000；3.博兴县人民医院 内七科，山东 滨州 256500

陈振雨，Email:czy.plastic@126.com

本文引用格式：孙鹏飞,张彬,孙文娟,等.虚拟现实技术在整形外科中的应用与展望［J］.中国美容整形外科杂志,2017,28(1):51-52,59.