目前VR(虛擬現實)技術在各行業都有不同程度的應用，在醫學教育領域，它是醫生學習的新選擇。醫生只需要戴上VR眼鏡就可以完全沉浸式地體驗身臨手術室的感覺，可以讓醫生全面了解手術的各個環節，第一視角學習手術技巧。

　　視覺學習之外，虛擬現實技術與計算機技術相結合用于建立具有實時力反饋的手術模擬訓練系統，似乎更能夠在一定程度上緩解當下醫學所面臨的瓶頸。例如用VR進行解剖教學，極大地緩解了醫學教育中尸體標本短缺的情況。

　　“我們開發的系統，就是針對國際和國內市場上還沒有較為通用、商業化的骨科手術訓練系統的情況，以期解決骨科醫生的手術訓練問題。”中國科學院深圳先進技術研究院人機交互中心執行主任王瓊在接受專訪時告訴《中國科學報》記者。

　　滿足手術訓練需求

　　據介紹，骨科手術訓練系統以椎弓根釘手術為基本背景，提供了不同種類的手術工具在脊柱上進行操作的三維交互場景模擬，主要仿真了圓鉆磨骨、長鉆打孔和置釘這幾種椎弓根釘手術中風險較高、也最具有訓練意義的手術操作。

　　“我們搭建了一套具有動態反饋、視覺變化的虛擬環境，與人機交互反饋的設備連接。對手術工具與骨骼交互時產生的控制力進行建模，并且模擬骨頭被鉆后的視覺變化，并通過VR眼鏡和力反饋設備反饋給用戶，模擬醫生拿著鉆頭鉆骨頭的真實場景，這可以做到手眼協調方面的訓練。”王瓊說。

　　在系統中，王瓊團隊采用了融合體數據和面數據的數據結構，不僅可以滿足在骨骼拓撲結構頻繁改變狀態下的三維手術工具與骨骼模型之間100Hz的碰撞檢測刷新率，同時還可以精準地對磨削后的骨骼表面進行重建，并建立了基于磨削原理的手術工具交互反饋力模型，通過GPU硬件的加速，可以保證力覺的刷新率在1000Hz以上，避免視、觸覺交互場景的失真。

　　該項目可以為醫生進行椎弓根釘手術訓練提供較為真實的、具有實時力覺反饋的虛擬三維場景，解決臨床骨科醫生缺乏手術訓練機會的問題。

　　因為用不同的計算機程序可以產生新的交互環境，滿足不同的手術訓練的情況。“系統可以設置手術的難易程度，開始訓練時，系統給出固定的骨釘位置和下鉆方向，進階后把所有預設信息全部刪除，訓練者自己判斷病情與鉆頭位置，增加難度，這樣的訓練方式更加有效。”王瓊說。

　　不同的變化方式，一方面提供精細、有效、重復的訓練，既節約經濟成本，又可以實現傳統訓練做不到的進階訓練。

　　四大總體框架

　　王瓊介紹，一般虛擬骨科手術系統的總體設計框架主要包括： 三維骨組織建模、虛擬手術工具建模、形變仿真和力覺模擬以及人機交互模塊等四個主要組成部分。

　　三維骨組織建模主要負責從原始的CT 掃描的二維數據圖像中，利用圖像處理方法將目標骨骼區域分割出來，然后利用三維重建方法，將骨骼三角面片網格提取出來，同時還可以融合體數據表示的三維骨骼模型。為了方便給后續的力覺建模打下基礎，進而對不同的骨骼部位所具有的物理材料屬性進行設定，這些參數一般需要通過真實的組織承壓拉伸測試或者有限元建模的方法進行確定。

　　虛擬手術工具的建模對手術中會用到的手術器械，創建它們的三維幾何模型和物理模型，并實時接收交互硬件設備傳送的信息，用來確定手術工具模型當前的位置、姿態和運動狀態。

　　形變仿真和力覺模塊要通過虛擬手術工具與三維骨骼模型之間的碰撞檢測來確定兩者之間的交互區域，獲取交互信息，并對骨骼的三維模型進行相應的形變。通常碰撞檢測算法的選取與力覺交互建模有十分緊密的聯系，根據力模型的計算特性選擇恰當的碰撞檢測算法可提高整體的運算效率。隨后，可根據獲取的交互信息，計算碰撞交互力。

　　人機交互模塊提供人與計算機交互接口。一方面將用戶控制力反饋設備時，對設備的空間位置坐標、變化矩陣以及用戶手移動的速度等，傳送給虛擬手術工具模塊，用于力覺計算。此外，還負責對交互模擬的力覺反饋結果進行實時渲染，使用戶感受到手術工具上所受到的力覺效果。

　　遵循總體框架建構的骨科手術訓練系統，與傳統的訓練模式效果比較之后，得到了合作醫院的認可。但同時，系統建立的每個環節也存在很多困難。

　　模擬系統目前大多采用標準化的模型，個性化的病人數據案例比較少，因為在將病人醫學圖像數據處理做成個性化三維模型時，中間涉及到的環節非常多，包括：圖像處理、圖像分割、三維重建、模型修補等步驟。一方面它們復雜費時，很多步驟仍需要人工介入處理，另外在將模型用于虛擬手術系統時，考慮到計算速率的問題，又需要對模型的體量進行控制，使用過于精細的數據會影響交互、計算速度，而使用簡化的模型，雖然可以提升計算速率，但又可能會丟失了病人的疾病特征。“這些要素之間要做到平衡，由圖像數據轉變為可交互的三維模型，中間環節多，目前還沒有統一的標準和成熟的解決方案。”王瓊說。

　　應用仍有條件

　　在高盛2016年的報告中對VR醫療的市場規模進行了預測：2020年VR/AR(增強現實)的市場規模將達到800億美元，其中在醫療保健領域市場達到51億美元，覆蓋340萬用戶。未來幾年VR將會給醫療行業帶來巨大的想象空間，而中國必然將為VR+醫療提供巨大的發展空間。但在目前的實際應用中，某些領域似乎并不順利。

　　“不論應用在哪個行業，虛擬現實普遍存在內容生成不夠豐富，以及重度VR應用真實感、沉浸感不強的情況。”在解釋經歷2016的火熱，虛擬現實逐漸回歸理性的原因時，王瓊說道。從醫學的角度來看，一套模型只能用在一套系統上，換一個病種或手術工具，算法、數據模型就要重新來做，整套虛擬場景的建立非常緩慢，這導致虛擬手術系統的開發周期相對較長。

　　醫生接受度也是影響虛擬手術系統應用的方面，“我國的醫生有嚴格的行業規范，要破壞原有的訓練流程，提高醫生的接受度，仍需要進一步努力。”王瓊說。

　　對比臨床手術領域，VR應用在康復醫療領域接受度更高，先進院醫工所醫學圖像與數字手術研究室吳劍煌團隊研發的虛擬腦卒中康復訓練系統正在推進應用。該系統向腦卒中患者提供了一種成本低廉且有效的康復訓練方案。利用虛擬現實系統，患者可以在虛擬環境完成可控的功能性運動和操作，完成有意義的任務性訓練和得到視覺、聽覺、觸覺的反饋。

　　而對于醫療美容領域的VR應用，相比骨科精度要求更高，涉及軟組織處理容易發生形變，王瓊認為，整形領域的VR應用也有很多需要解決的問題。

　　人才短缺、硬件設備價格、穿戴設備的舒適度、軟件系統如何快速開發等都是VR發展過程中需要面對的問題。但從長遠看，“硬件的計算速率不斷提升，整體還是會平穩推動行業的發展”。王瓊說。

　　中國工程院院士趙沁平對VR在醫療領域的應用十分樂觀：“虛擬人體已經成為‘實驗室到病床’轉化醫學研究的新概念平臺和實驗手段，并已廣泛應用在醫學研究、新藥開發、虛擬手術、醫療器械開發、醫學教育培訓、康復訓練等方面。未來十年，虛擬人體可能在生命科學和醫藥領域產生顛覆性的影響。”