沉浸式立体显示技术在临床医学领域中的应用

分类：论文范文 发表时间：2021-07-07 09:47

　　摘要:随着现代科学技术的快速发展，立体显示技术为临床医生的双眼视觉功能和临床应用场景，提供了现实模拟度更高的载体，并成为当前计算机视觉和临床医学领域共同研究的热点。在微创手术术前，与传统的平面显示技术相比，沉浸式立体显示技术能够提供更生动、准确的3维人体生理和病理影像，使医生更易于判断病变的层次、形状和血管等复杂结构及解剖关系;同时虚拟现实能够为医学培训及手术预演提供沉浸式的手术情境模拟，帮助医生高效地掌握手术技巧，提高医学术前诊断效率，从而进一步降低手术风险。在微创手术术中，基于增强现实的三维成像导航技术，能够将微创手术过程立体、直观地展现在医生面前，使术区各组织及其与手术器械间的位置关系和距离更加容易判断，同时通过叠加相同区域的术前检查影像，为手术提供实时的路径导航，实现精准微创手术。此外，在临床医疗资源共享中占据重要比重的远程诊疗领域，立体显示技术能够为远程诊断、线上会诊以及机器人手术等提供更为精确的深度信息，以及更多维度的图像信息，使医学数据的远程显示结果更具有真实性和实用性。现阶段立体显示技术在临床医学领域中也存在显示模式转换不舒适、三维重建图像信息缺失以及立体显示软、硬件系统带来的视觉疲劳等问题，但该技术在医学领域已经展露头角，在未来的临床医学进步中会成为不可或缺的一部分。本文详细分析了沉浸式立体显示技术在临床医学中的代表性应用，介绍了微创外科手术以及远程诊疗领域国内外的研究现状，从影像诊断、手术训练、规划与导航、治疗和教育培训4个方面，总结了立体显示技术在临床医学领域中的研究进展。

　　关键词:立体显示;增强现实;图像重建;手术模拟;手术导航;远程手术

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　　0引言

　　随着现代影像学三维重建、触觉交互以及三维(three-dimensional，3D)立体打印等技术日渐成熟，传统的手术治疗理念正在发生前所未有的革命性改变。传统开放性的手术、大面积放疗和化疗等粗放型治疗方式在复杂病症的治疗中已经逐渐被个体化精准手术规划的“精准医学”所替代，随着“精准医学”模式逐步应用到临床手术，手术治疗进入一个新的时代。现实中人体的器官及其病理变化都是呈现三维变化的，相比于医学教学二维图像和各种诊断医学二维图像，立体显示技术更加直观和具体。而在生活中解读各种内窥镜手术影像和诊断医学图像都是依赖于医生的专业经验，限制了医学诊断的效果，也降低了解读诊断影像的准确性，增加了手术操作的难度。随着21世纪科技的飞速发展，高清晰度、高亮度、低串扰的立体成像显示技术越发成熟，使其在医学领域中的应用越发深入。医学的发展和立体显示技术两者相辅相成，后者为前者提供患者影像数据中病况、病灶的大小位置及与其周围血管脏器的定量关系，前者根据后者提供的关系和影像数据制定个性化的精准治疗方案。简而言之，前者为后者提供强大的牵引需求，后者带来了更为先进的技术支持(Stepan等，2017)。科幻的出现往往是基于科学又高于科学，远程手术这一想法最初就是通过好莱坞的电影进入医学领域，经由医学工作者们关注转变为具体化造福人类。师云雷(2014)于2014年提出了基于管理信息系统的医学机器人系统，即二维远程运动中心，此系统通过促进机器人技术的发展、提高机器人性能为复杂的外科手术问题的解决提供了可能。

　　1国际研究现状

　　1.1基于虚拟现实的数字解剖教学应用研究

　　人体解剖学是研究人体正常形态结构的科学，旨在理解和掌握人体各组织器官的结构、位置，以及与周围组织器官的空间关系，为临床医学奠定了基础，医学生进入临床实践必须要具备良好的解剖学知识。传统的解剖教学主要包括书本上的平面解剖图、尸体解剖和三维假体等，但是这些方式都存在很大的不足，书本上的平面解剖图缺乏空间感，主要凭借医生的经验和主观猜测在大脑中形成三维器官及空间关系。由于尸体资源严重不足，无法满足广大医学生的需求，尸体解剖教学受到了极大限制。随着VＲ技术的发展，目前其已广泛应用到很多领域，在医学解剖中也发挥了很大的作用。医生能够通过VＲ技术在术前针对不同患者的解剖和病变特点制定个体化手术方案，立体显示技术结合VＲ系统为优化术前规划、提高手术成功率提供了理想的平台。该平台能够让医生提前反复体验术中所见的手术场景，提前对术中可能遇到的意外情况做出安排，锻炼应变能力的同时减少手术风险。VＲ医学解剖很大程度上解决了传统解剖教学的不足，提供沉浸式的解剖环境，将三维的人体器官组织更加真实地展现在用户面前，并可以通过多种交互方式和虚拟器官进行交互(Maciel等，2008;Coles等，2011);同时也支持多人同时在线共享同一解剖学模型，便于专家直接对学习者进行指导。MedisMedia公司开发了一款3DOrganonVＲ解剖软件，拥有完整的3D男性和女性身体模型及系统，使用户可以直观地了解身体构造，探索人体内4000多个逼真的解剖结构和器官(Halic和De，2010)。

　　1.2基于虚拟现实的微创手术技能培训应用研究

　　与传统的开放手术相比，微创手术由于创伤小、疼痛轻和恢复周期短等优点成为常规手术之一(Cutolo等，2017)。微创手术的优点也使其操作技能变得极其重要，微创手术主要包括:胸腔镜手术、腹腔镜手术和内窥镜手术等，传统的手术技能培训主要包括尸体解剖、视频教学和手术室观摩等，这些传统的方式都存在很多不足之处，主要集中在实体资源匮乏，几乎没有上手实践机会，因此大量的模拟器被开发用于新手的操作技能培训，新手可以随时随地进行不同的手术技能练习，如手眼协调、双手协调和深度感知的能力等，同时模拟器也可用于对受试者进行手术技能评估。目前，市场上主要有针对腹腔镜技能培训的箱式模拟器和虚拟现实模拟器，还没有专门针对胸腔镜的模拟器上市。腹腔镜模拟器在市场上已得到较好的应用，美国胃肠和内窥镜外科医生协会(SocietyofAmericanGastvointes-tinalandEndoscopicSurgeons，SAGES)和美国外科医师学会(AmericanCollegeofSurgeons，ACS)开发和验证了腹腔镜手术基础培训项目(fundamentalsoflaparoscopicsurgery，FLS)，并提出了腹腔镜手术技能的评估标准(Qian等，2015)。Fried等人(2004)设计并验证了MISTELS(minimalinvasivesurgery，tele-surgery)是可靠、有效的，可作为医学技能培训设备。Fu等人(2020)仿照FLS箱式模拟器开发了一款虚拟基础腹腔镜技能培训模拟器VBLaSTTM，包括4个任务:微小物体转移、图案剪切、结扎和缝合，VBLaSTTM作为FLS项目的虚拟版可用于对受试者进行培训。Nemani等人(2019)首次将无创脑成像技术应用到腹腔镜的技能评估中，fNIＲS(func-tionalnear-infraredspectroscopy)指标更加客观、准确，验证了在FLS箱式模拟器和VBLaST模拟器上获得的技能能够转移到真实的环境中。Huber等人(2018)将VＲ头盔和虚拟腹腔镜(LapSim)结合，创建了一个人造的虚拟现实(artificialVＲ，AVＲ)场景和一个高度沉浸式的虚拟现实(immersiveVＲ，IVＲ)场景，使新一代的手术技能培训模拟器成为可能。Jensen等人(2017)在传统的箱式模拟器和虚拟腹腔镜模拟器(LapSim)上进行了胸腔镜的肾切除术训练，保留一段时间后又在猪模型上进行了胸腔镜肺叶切除术，验证了两种模拟器的有效性，箱式模拟器比虚拟现实模拟器训练更加有效。同时Jensen等人于2016年首次验证了VATS(video-assistedthoracoscopicsurgery)中右上肺叶切除的虚拟现实模拟器的有效性，确定了评估医学生的胸外科手术技能指标(Jensen等，2017)。

　　2国内研究进展

　　2.1基于虚拟现实的数字解剖教学应用研究

　　在将虚拟现实技术应用于数字解剖教学方面，国内的发展相比于国外有一定程度的滞后，这也导致了在相关技术方面相对薄弱。在这种形势下，国内的一些高校和研究单位仍然在该领域获得了显著成果，包括北京工业大学于2014年使用Unity3D结合Kinect手势识别技术开发出一款能够让多人同时在线学习，无创远程、便捷的虚拟解剖教学系统;另外还有历时五年时间，由四川大学打造的兼容HTCVive设备的“人卫3D系统解剖学”软件，将虚拟现实技术和现代医学教学相结合，帮助学生全方位、立体地观察人体的器官;此外还有上海曼恒公司开发的虚拟人体解剖系统，以及北京黎明视景公司的生物医学三维模型库等(陈华，2006)。随着虚拟现实技术的成熟，以其为基础的数字解剖教学凭借方便性和实用性在医学领域中占据了重要的地位。但由于虚拟现实技术所包含的理论层次复杂，涉及的学科种类多样，包括物理学、信息学等，这也就为其技术创新提供了上升的空间，所以接下来的发展需要高校和各大医院进行深入合作和研究。

　　2.2基于虚拟现实的微创手术技能培训的应用研究

　　基于虚拟现实的微创手术技能培训的应用研究在国内发展迅速。通过弹性系数、阻尼系数和质量等参数的建模，天津大学在物理建模方面引入表现人体器官的物理特性，同时采用线性弹性模型，构造出了柔性可形变的质点弹簧模型作为人体器官的虚拟手术训练模型，从而使得人体器官模型的形变和反馈力可以通过邻接矩阵来表示模型的拓扑结构，并建立了模型的动力学方程，求解方程来得到。陈华(2006)将力反馈设备应用到小耳畸形手术的教学中，模拟、指导小耳畸形整形修复所涉及的手术过程，实现手术仿真操作，力反馈的运用使医学中应用的虚拟现实技术从单纯的视觉方面发展到视觉和触觉并存的系统。汪军和刘冬(2016)开展了一种胆囊切除虚拟手术仿真训练平台的研究，提出一种采用不同的包围盒碰撞检测的Capsule-Sphere混合碰撞检测方法。在受力变形上，提出一种网格—骨架模型的质点弹簧形变方法，并在前期研究的虚拟手术力反馈手柄上进行了测试。北京航空航天大学潘俊君团队于2015年提出了一个有效的框架，根据腹腔镜手术的实际需求，对形变模拟、碰撞检测、软组织解剖和绘制等方面进行优化，以提高整体性能的逼真度和响应速度(Qian等，2015)。潘俊君团队又于2020年提出了一个实时缝合模拟框架，可以处理外科手术器械和软组织之间复杂的交互作用(Yu等，2020)。通过匹配并生成针、缝合线与穿透路径之间的约束条件，提出了一种新颖的耦合方法，该方法具有较高的视觉真实感和触觉保真度，能够达到较好的实时效果(dePaolis，2012)。Fu等人(2020)采用累积和方法分析了医学生在模拟器VBLaST-SS上进行150次培训的学习曲线，参与者在体内缝合和图案剪切任务上的技能有了明显提高，并且休息2周后，技能仍得到了保留。

　　3存在的问题与未来的发展

　　3.1存在的问题

　　沉浸式立体显示技术通过其沉浸性(immer-sion)、互动性(interactivity)和构想性(imagination)，将真实世界和虚拟世界进行融合，把虚拟信息叠加到现实世界上产生虚实结合的效果，给临床医学中的各种复杂应用场景提供了训练与决策方式的变革(Qian等，2017)。但需要注意的是，目前沉浸式立体显示技术在临床医学中，仍然需要解决几个关键的技术问题:

　　1)如何实现人体器官模型建模的智能化和精确化，虚拟病人和临床手术环境的高效物理建模(physics-basedrendering，PBＲ)，例如:颜色复现的准确性、立体视觉真实感、准确的纹理表现，以及生物组织的非匀质、半透明光学特性，具有较高的动态范围，另外扫描设备在获得物体的三维颜色信息、纹理信息时，由于器官光滑包膜表面的散射和高光变得困难，同时也很难通过反射信号获得准确的空间编码信息。

　　2)虚拟环境的实时三维注册和视觉图像的融合呈现，将医学图像数据库前期的信息与术中器官组织的实时状态进行无缝关联和交叠，是现阶段AＲ手术导航中面临的最大挑战。例如:如何将术前CT/MＲI静态图像重建的三维图形与术中呼吸状态下的动态人体器官进行精准注册融合，以及手术过程中烫断、切割和剥离等复杂场景中的虚拟重建信息的实时逼真合成等。

　　3.2发展趋势与展望

　　扩展现实技术可用于医学解剖教学，使医学院学生能够更加直观地了解人体的器官组织结构及与相邻器官组织的空间位置关系。同时，作为扩展现实技术和医学研究结合的重要成果，虚拟手术也是当今医学领域研究的热点问题之一。扩展现实技术与医学相结合的虚拟手术，成为解决手术问题和训练外科医生的研究热点。结合扩展现实技术的手术模拟器可以对实习医生和住院医师进行手术技能模拟训练，快速提高操作者的手术技能，如双手协调、手眼协调和深度感知能力等。增强现实技术在手术导航中具有重要的作用，如增强现实外科导航系统，用以辅助脊椎、颅骨和创伤外科手术，基于增强现实的穿刺活检导航等。另外，机器人辅助系统在微创手术中得到了广泛的应用，可以显著提高手术过程的精密度和准确性。新的VＲ/AＲ类硬件设备，需要医生学习和适应新的显示模式和临床具体应用场景结合，掌握新的系统操作技巧;同时3D头盔或显示器的长时间佩戴，会给医生带来眩晕和头痛等不适感。在认真分析上述问题并提出针对性的解决方案后，才能促使临床医学与立体显示技术的相互促进和融合发展。

　　4结语

　　沉浸式立体显示技术作为一个集医学、生物力学、光学工程、材料科学和计算机技术等诸多学科为一体的交叉研究领域，目前已成为一个新兴的研究方向。本文充分分析了立体显示技术在临床医学中的应用，介绍了微创外科手术以及远程诊疗领域的国内外研究现状，从影像诊断、手术训练、规划与导航、治疗和教育培训4个方面，总结了立体显示技术在临床医学领域中的研究进展。在未来临床医学领域，借助三维图像技术、混合现实技术、人机交互技术等一系列前沿计算机技术，能够更加直观、精准地使混合现实设备呈现可视化三维图形，并提供一系列数字模拟工具，使得临床医生可以依据虚拟模型与真实临床应用场景进行交流沟通，从而更精准的定制个体化的临床诊断和治疗方案。

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　　邰永航1，2，石俊生1，2*

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