基于VR技术的3D手术操作练习模拟器的设计与开发

李菲菲

摘  要：目的：解决医学教学过程中相关人体等实验材料不足的问题，提高医学教学质量，设计出便于使用的3D手术操作练习模拟器。方法：基于VR技术，建立一个能够提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟场景。结果：建立虚拟模型，设计出便于使用的3D手术操作练习模拟器。结论：模拟器让使用过的使用者真实的获得手术操作的经验，不仅节省了稀有的现实材料，还大大的提高了现代医学生的技术水平。

关键词：虚拟现实技术;手术操作;模拟器;设计与开发

中图分类号：TP242         文献标志码：A         文章编号：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

隨着如今电子信息和计算机技术的不断进步，虚拟现实技术也作为一项新兴技术得以初步发展。作为一个在众多领域均有重大研究意义和价值的新模式，虚拟现实技术对于我国的技术创新、未来科技发展等方面有着重要作用。目前，该技术已可被初步应用于许多产业中，包括医学领域。

虚拟现实技术越来越具有真实性和沉浸感，利用虚拟现实技术，可以有效地解决实验条件与实验效果之间的矛盾。将虚拟现实应用于手术训练，解决方案不仅有效，而且前景广阔，受训医学生在接受基于虚拟现实的手术技能培训时，将结合来自视觉和操作两方面的感受来获得身临其境的沉浸感[1]。

因此，本课题旨在利用虚拟现实技术进行手术操作练习模拟器的设计与开发，以加强巩固各种手术操作的细节以及强化记忆手术操作步骤，解决当下医学院校教学过程中因教学样本不足而导致学生体验不足、操作生疏等问题。

2 3D手术操作练习模拟器的设计与开发

2.1 VR技术简介

VR技术是利用计算机模拟生成一个逼真的虚拟环境，使用者可以通过使用头盔、数据手套等不同类型的传感设备，为使用者提供视觉、触觉、听觉等感官上的模拟体验。VR技术发展至今，被多方面运用于影视娱乐、文物保护、科研教学、安全消防等各个领域[2]。

2.2 模拟器的优势

材料齐全，成本低。一方面解决当下医学院校教学过程中因教学样本不足而导致学生体验不足、操作生疏等问题;另一方面可以解决学校实验室空间不足、学生众多的矛盾，可以为学校节省大量的实验室开支。

2.3 模拟器的设计内容

首先从现有医学图像库中选取合适的人体模型。体验者能够看到一个活生生的人。然后手动建立起人体内部各个系统的运转，让体验者能够在实验过程中有真实画面和现场氛围，操作手感以及操作的练习效果。最后建立一个专门测试模拟器实验结果的软件，其内容分为：产品展示功能模块，操作部位选项，测评实验结果，校正实验操作等功能。

2.4 建立人体模型

2.4.1 获取人体实质器官的图像数据

人体实质器官包括器官实质以及若干组件。采用医用的CT或MRI医学图像采集设备扫描实体的人体的实质器官，以获取人体实质器官的图像数据[3]。

2.4.2 根据人体实质器官的图像数据，通过计算机建立其三维数字模型

根据人体实质器官的CT或MRI图像数据，建立人体实质器官的三维数字模型。在通过医学图像采集设备对人体实质器官进行扫描后，可将获取的数据直接导入到医学三维处理软件中进行三维重建，以建立人体实质器官的三维数字模型[4]。

2.5 建立VR系统

一般的VR系统主要由专业图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和演示设备等组成，即人们可以通过视觉、听觉、触觉等信息通道感受到设计者思想的高级用户界面。一般的VR系统结构如图1所示：

硬件平台：

由于虚拟世界本身的复杂性及计算实时性的要求，产生虚拟环境所需的计算量极为巨大，这对中心计算机的配置提出了极高的要求。目前，国外的VR系统一般配有SGI或SUN工作站，大型的VR系统，采用的是计算机并行处理系统。当前的研究趋于桌面虚拟现实系统，它价格较低、易于实现同时又能满足VR的部分特征要求，因而将会得到更为广泛的应用。

软件系统：

软件系统是实现VR技术应用的关键。VR技术在国外的应用比国内早，目前具有代表性的桌面VR技术有：Web3D中的X3D、VRML、Java 3D、Cult3D Viewpoint、Atmosphere，以及应用于服务器上的Superscape VRT、EAI Sense 8 World ToolKit、MPI Vega等，它们为VR技术在虚拟医学系统中应用提供了工具。本发明构建一种基于VR技术的医疗手术模拟仿真系统，其中包括：（1）场景构建单元：在虚拟环境区域调取数据库存储单元内的数据信息将每个医疗手术对应的全部操作过程进行图像视频编辑，该过程包括手术过程需要的医疗器械名称、医疗器械的数量、在实际操作过程中医生的操作姿势所述场景构建单元包括编辑单元，所述编辑单元将多种手术正确的操作状况信息进行编辑后存储在存储器内[5]。（2）虚拟现实成像单元：包括佩戴在医护人员头部上的VR成像模块、佩戴在医护人员手上的数据信息检测手套，所述VR成像模块包括3D眼镜和与该眼镜配合使用的立体耳机以及检测医护人员在模拟手术过程中的唇动信息的启动检测模块，所述虚拟现实成像单元还包括校正模块。其中校正模块可以有效指出实验操作的错误过程和失误细节，并给出准确的操作方案。图2所示是医疗手术模拟仿真系统结构。

3 模拟器的使用

3.1 模拟器使用的流程图（如图3）

3.2 落实到校内课程的具体使用，调试产品的稳定性，了解师生使用建议，优化产品学生实验课程每个学时为40分钟，而实验是由每组4到5名同学共同完成的。据统计，大多数虚拟实验可以在10到15分钟内完成，使用3D虚拟技术，教学不仅节约师生的时间，同样可以使每位同学熟识实验的每个细节。学生亲自动手在虚拟空间内，观察不同药物、不同剂量、不同操作对手术结果的影响，实验操作过程基本不受時间限制。

通过本模拟器的使用，整个实验过程不仅记录了实验数据，还保留了现实实验过程中的图片信息以及多种可能性数据。

4 结果与结论

本论文在指导老师确认可行性的前提下，团队成员多方面地去了解虚拟现实技术的内容和特点。基于对手术模拟领域中极具代表性的Mentice公司的MIST-VR的深入了解，与现所学专业知识相结合，掌握了其中的相关的理论基础和实际操作意识，为本论文奠定了扎实的基础。模拟器开发的意义在于加强巩固各种手术操作的细节以及强化记忆手术操作步骤，解决当下医学院校教学过程中因教学样本不足而导致学生体验不足、操作生疏等问题。在虚拟场景中精确模拟手术操作，从而最大程度对医学生起到手术训练和和术前模拟的临场效果体验。

我们设计的基于VR技术的3D手术模拟器，使用者使用时可以亲身体验到真实的手术中去，从视觉，听觉，触觉，以及嗅觉上都让使用者去感觉到真实的存在和真实的触感，尽量做到完美，这样模拟器才更具有实际意义，使得模拟器更具有价值，让使用过的使用者真实的获得手术操作的经验，不仅省了稀有的现实材料，还大大的提高了现代医学生的技术水平。

参考文献：

[1]普恩特泰合（武汉）医疗科技有限公司.一种基于VR技术的手术虚拟练习装置：CN201821251773.7[P].2019-06-18.

[2]钟元权，张裕生.基于VR技术的机器人离线编程技术研究[J].山东农业工程学院学报，2019，36（05）：36-40.

[3]万磊.计算机手术辅助设计及快速成型技术在骨科的临床应用研究[D].广东：南方医科大学，2009.

[4]四川英捷达医疗科技有限公司.适用于人体器官的3D模型制备方法：CN201810139373.5[P].2019-08-23.

[5]大连文森特软件科技有限公司.一种基于VR技术的医疗手术模拟仿真系统：CN201610891628.4[P].2016-12-21.