意大利比薩大學(xué)泌尿系研制出泌尿外科手術(shù)虛擬軟件，這種軟件既可用于教學(xué)，也可讓一般大夫進(jìn)行模擬手術(shù)練習(xí)。比薩大學(xué)泌尿系主任保羅·姜諾蒂日前在米蘭的一次會(huì)議上介紹說，他和比薩大學(xué)的計(jì)算機(jī)技術(shù)人員合作，用一年時(shí)間制成這種光盤。其內(nèi)容十分簡單，很像一張普通游戲光盤，放入計(jì)算機(jī)內(nèi)即可在屏幕上顯示出一個(gè)虛擬的手術(shù)室及手術(shù)的詳細(xì)過程，學(xué)生或一般大夫可在虛擬手術(shù)中反復(fù)試驗(yàn)高難度的操作方法，直至達(dá)到完美無缺為止。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展越來越體現(xiàn)多門學(xué)科的交叉和滲透。虛擬手術(shù)（Virtual Surgery-VS）作為正在發(fā)展起來的研究方向，是集醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、數(shù)學(xué)分析、機(jī)械力學(xué)、材料學(xué)、機(jī)器人等諸多學(xué)科為一體的新型交叉研究領(lǐng)域。其目的是使用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí)來模擬、指導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過程，在時(shí)間段上包括了術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后，在實(shí)現(xiàn)的目的上有手術(shù)計(jì)劃制定，手術(shù)排練演習(xí)，手術(shù)教學(xué)，手術(shù)技能訓(xùn)練，術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)、術(shù)后康復(fù)等。

虛擬手術(shù)這個(gè)研究方向目前正在逐步形成之中，與之相關(guān)的一些研究方向主要有：醫(yī)學(xué)可視化（Medical Visualization），醫(yī)學(xué)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Medical augmented Reality），醫(yī)用機(jī)器人，手術(shù)模擬（Surgery Simulation），圖象引導(dǎo)手術(shù)（Image Guided Surgery），計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)（Computer Aided Surgery，Computer Assisted Surgery）等。我們認(rèn)為使用虛擬手術(shù)（Virtual Surgery）這個(gè)名詞更加能夠充分體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)作為計(jì)算機(jī)圖形學(xué)在醫(yī)學(xué)治療過程中的作用，充分體現(xiàn)了人機(jī)交互和真實(shí)感。國外也有稱此方向?yàn)樘摂M手術(shù)室(Virtual Operating Room)或醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)（Medical Virtual Reality）。虛擬手術(shù)是利用各種醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)模擬環(huán)境，醫(yī)生借助虛擬環(huán)境中的信息進(jìn)行手術(shù)計(jì)劃、訓(xùn)練，以及實(shí)際手術(shù)過程中引導(dǎo)手術(shù)的新興學(xué)科。

 
虛擬手術(shù)（Virtual Surgery-VS）

虛擬手術(shù)的主要用途：

1、手術(shù)方案

能夠利用圖像數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)生合理、定量地制定手術(shù)方案，對(duì)于選擇最佳手術(shù)路徑、減小手術(shù)損傷、減少對(duì)臨近組織損害、提高腫瘤定位精度、執(zhí)行復(fù)雜外科手術(shù)和提高手術(shù)成功率等具有十分重要的意義。虛擬手術(shù)系統(tǒng)可以預(yù)演手術(shù)的整個(gè)過程以便事先發(fā)現(xiàn)手術(shù)中問題[1]。虛擬手術(shù)系統(tǒng)能夠使得醫(yī)生能夠依靠術(shù)前獲得的醫(yī)學(xué)影像信息，建立三維模型，在計(jì)算機(jī)建立的虛擬的環(huán)境中設(shè)計(jì)手術(shù)過程，進(jìn)刀的部位，角度，提高手術(shù)的成功率。

2、手術(shù)教學(xué)訓(xùn)練

80%的手術(shù)失誤是人為因素引起的，所以手術(shù)訓(xùn)練極其重要。醫(yī)生可在虛擬手術(shù)系統(tǒng)上觀察專家手術(shù)過程，也可重復(fù)實(shí)習(xí)。虛擬手術(shù)使得手術(shù)培訓(xùn)的時(shí)間大為縮短，同時(shí)減少了對(duì)昂貴的實(shí)驗(yàn)對(duì)象的需求。由于虛擬手術(shù)系統(tǒng)可為操作者提供一個(gè)極具真實(shí)感和沉浸感的訓(xùn)練環(huán)境，力反饋繪制算法能夠制造很好的臨場感，所以訓(xùn)練過程與真實(shí)情況幾乎一致，尤其是能夠獲得在實(shí)際手術(shù)中的手感。計(jì)算機(jī)還能夠給出一次手術(shù)練習(xí)的評(píng)價(jià)。在虛擬環(huán)境中進(jìn)行手術(shù)，不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的意外，能夠提高醫(yī)生的協(xié)作能力。

3、術(shù)中導(dǎo)航與術(shù)中監(jiān)護(hù)

介入治療是在手術(shù)過程中進(jìn)行熒光透視法、超聲、MR下，在圖象的引導(dǎo)下進(jìn)行定位。而虛擬手術(shù)的手術(shù)導(dǎo)航無須在介入環(huán)境下，將計(jì)算機(jī)處理的三維模型與實(shí)際手術(shù)進(jìn)行定位匹配，使得醫(yī)生看到的圖象既有實(shí)際圖象，又疊加了圖形，屬于計(jì)算機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。如手術(shù)使用了第二種成像手段，例如內(nèi)窺鏡，則將實(shí)時(shí)觀測(cè)的圖象與術(shù)前CT或MRI進(jìn)行匹配定位融合，對(duì)齊兩個(gè)坐標(biāo)系并顯示為圖形，引導(dǎo)醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)。

4、其他作用：

4.1、保護(hù)醫(yī)生

對(duì)醫(yī)務(wù)人員來說較危險(xiǎn)的動(dòng)作，如在感染或放射情況下，精確復(fù)雜的虛擬手術(shù)干預(yù)將是十分必要和重要的。采用虛擬臨場技術(shù)可以使醫(yī)生免受射線的侵害。

4.2、降低手術(shù)費(fèi)用

現(xiàn)代外科醫(yī)療檢測(cè)系統(tǒng)造價(jià)昂貴，醫(yī)療成本也很高。虛擬手術(shù)能夠縮短病人的恢復(fù)周期、降低病人和醫(yī)院的開支。虛擬手術(shù)不受手術(shù)設(shè)備的制約。

4.3、改善病人的預(yù)后

虛擬手術(shù)減少手術(shù)的并發(fā)癥，使患者恢復(fù)更迅速。例如立體定向放射神經(jīng)外科中，虛擬手術(shù)能夠優(yōu)化放射手術(shù)治療方案，降低并發(fā)癥。

建造定制的修復(fù)擬合模型虛擬手術(shù)能夠設(shè)計(jì)植入器官（對(duì)人工假體的設(shè)計(jì)）。計(jì)算機(jī)能夠幫助醫(yī)生在進(jìn)行髖骨更換手術(shù)前，可通過非破壞性的三維成象對(duì)其尺寸和形狀進(jìn)行精確測(cè)量，然后定制髖骨，這樣可以把因尺寸不合格而重新開刀的比例從30%將降到5%。

4.4、遠(yuǎn)程干預(yù)

虛擬手術(shù)與遠(yuǎn)程干預(yù)將能夠在手術(shù)室中的外科醫(yī)生能實(shí)時(shí)地獲得遠(yuǎn)程專家的交互式會(huì)診。交互工具可以使顧問醫(yī)生把靶點(diǎn)投影于患者身上來幫助指導(dǎo)主刀外科醫(yī)生的操作，甚或通過遙控幫助操縱儀器。這能使專家們技能的發(fā)揮不受空間距離的限制。

由于虛擬手術(shù)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的醫(yī)療電子設(shè)備正以每年10%的速度增長。但是虛擬手術(shù)室的硬件僅是解決信號(hào)的輸入和輸出，虛擬手術(shù)的軟件（算法）才是關(guān)鍵，軟件能很方便的改變、增減、改善系統(tǒng)的功能與規(guī)模。虛擬手術(shù)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在軟件方面的研究對(duì)象主要包括：

①基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的虛擬環(huán)境幾何建模和仿真；
②基于復(fù)雜對(duì)象物理特性的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模及可視化仿真；
③基于人類感官的傳感信息描述和仿真；
④基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的科學(xué)可視化；
⑤人機(jī)交互界面的智能化及自然化。

計(jì)算機(jī)輔助外科(computer aided surgery，CAS)是一種基于計(jì)算機(jī)對(duì)大量數(shù)據(jù)信息的高速處理及控制能力，通過虛擬手術(shù)環(huán)境為外科醫(yī)生從技術(shù)上提供支援，使手術(shù)更安全、更準(zhǔn)確的一門新技術(shù)。近年來,隨著CT、MRI等圖像診斷儀的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用得到了飛速的發(fā)展。計(jì)算機(jī)利用這些圖像信息進(jìn)行三維圖像重建，為外科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)模擬、手術(shù)導(dǎo)航(navigator)、手術(shù)定位、制訂手術(shù)方案提供了客觀、準(zhǔn)確、直觀、科學(xué)的手段。同時(shí)由于這些圖像信息具有準(zhǔn)確性和可靠性，故而被廣泛作為醫(yī)療機(jī)器人，特別是手術(shù)支援機(jī)器人等手術(shù)支援機(jī)器的控制信息源。基于這種三維位置信息的手術(shù)支援，極大地減小了手術(shù)創(chuàng)面，最大限度地減輕了手術(shù)患者肉體上的痛苦，近而使微創(chuàng)手術(shù)也得到了快速的發(fā)展。

在傳統(tǒng)的手術(shù)中，醫(yī)生是在自己的大腦中進(jìn)行術(shù)前的手術(shù)模擬，以確定手術(shù)方案，這是高效、準(zhǔn)確、順利進(jìn)行手術(shù)所必須的準(zhǔn)備工作，然后根據(jù)其在醫(yī)生大腦中形成三維印象進(jìn)行手術(shù)。但這種手術(shù)方案質(zhì)量的高低，往往依賴于醫(yī)生個(gè)體的外科臨床經(jīng)驗(yàn)與技能，且整個(gè)手術(shù)班子的每一位成員卻很難共享某一制訂手術(shù)方案人員在其大腦中形成的整個(gè)手術(shù)方案的構(gòu)思信息。用計(jì)算機(jī)代替醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)方案的三維構(gòu)思比較客觀、定量，且其信息可供整個(gè)手術(shù)班子的每一位成員共享。如果引入CT等三維圖像，就可對(duì)具體圖像與同行進(jìn)行交流，在虛擬的空間(virtual space)進(jìn)行三維手術(shù)模擬，并制訂出較為完善的手術(shù)方案。如果所設(shè)想的空間能與現(xiàn)實(shí)空間(患者的術(shù)野)及位置能夠正確地對(duì)應(yīng)，在手術(shù)中就可隨時(shí)以此作為參考。這種基于圖像信息而構(gòu)成且位置吻合的假設(shè)空間稱為增 強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality)，這與一般意義上的虛擬現(xiàn)實(shí)不同，虛擬現(xiàn)實(shí)是把現(xiàn)實(shí)中不存在的東西，真實(shí)地感觸到，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是在實(shí)物的圖像上增加現(xiàn)實(shí)的(或不可視的)信息。

下面讓我們來看看虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)在先階段的應(yīng)用情況

1、虛擬現(xiàn)實(shí)在手術(shù)模擬及手術(shù)導(dǎo)航中的應(yīng)用：用真實(shí)的三維圖像進(jìn)行手術(shù)模擬的研究進(jìn)展很快，將來，如果在模擬手術(shù)中加入變形力來模擬及感覺反饋的功能，將可成為醫(yī)學(xué)教學(xué)的工具。由于模擬環(huán)境是單獨(dú)構(gòu)成的，也就是說，虛擬空間與真實(shí)空間(手術(shù)對(duì)象臟器)的位置并不一致。為解決這一問題，目前已有人制作出了臟器模型與模擬的虛擬空間位置一致且可用三維指示器選擇模型的各個(gè)部位，自由鏈接虛擬空間上的圖像數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。如果手術(shù)室中患者的實(shí)際臟器與模擬的虛擬空間位置相對(duì)應(yīng)，這一系統(tǒng)就可代替臟器模型，用于手術(shù)指揮(navigator)。當(dāng)用三維指示器選擇臟器的某一點(diǎn)時(shí)，立即就可顯示含選擇點(diǎn)在內(nèi)的斷層圖像，并在該圖像上標(biāo)記當(dāng)前所選擇的部位。它類似于衛(wèi)星地面定位系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)地顯示自己目前所在的地點(diǎn)在地圖上的位置。

2、虛擬現(xiàn)實(shí)在制訂手術(shù)方案中的應(yīng)用：微創(chuàng)手術(shù)是以盡可能小的創(chuàng)口通道使手術(shù)器械到達(dá)病灶部位，然后進(jìn)行準(zhǔn)確、適當(dāng)?shù)牟僮鳎≡钋铱s短了手術(shù)時(shí)間。為此，在手術(shù)前應(yīng)收集治療信息及圖像信息加以分析，并將手術(shù)過程以手術(shù)模擬的方式加以預(yù)測(cè)，然后，根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果制訂出比較完善的手術(shù)計(jì)劃。此外，還應(yīng)備有手術(shù)修改計(jì)劃，準(zhǔn)備好手術(shù)方案。在手術(shù)中應(yīng)參照計(jì)劃操作，并根據(jù)情況選擇適當(dāng)?shù)氖中g(shù)方案。在手術(shù)中向手術(shù)醫(yī)生提供指揮信息，首先要將手術(shù)方案輸入到系統(tǒng)中。為了實(shí)現(xiàn)這一目的,需要事先輸入專用數(shù)據(jù)，這樣一來反倒不如通過系統(tǒng)提供的手術(shù)方案的制訂功能，從最初就讓手術(shù)醫(yī)生直接參與手術(shù)方案的制訂。手術(shù)醫(yī)生在虛擬的空間中加入三維CT圖像等各種信息，在進(jìn)行手術(shù)模擬的同時(shí)籌劃手術(shù)方案，并繪制出一個(gè)容易操作的三維地圖，在這一地圖上，集中著手術(shù)時(shí)所能觀察到的形態(tài)信息及其功能的重要性、手術(shù)預(yù)定部位的范圍、隨手術(shù)過程而發(fā)生形態(tài)變化的預(yù)后圖等及各種信息與相互位置的對(duì)應(yīng)。此外，在手術(shù)中，也能向地圖上增加各種信息。比如，用紅外線或紫外線拍攝的術(shù)野圖像、手術(shù)中超聲斷層圖像及CT圖像等，對(duì)掌握因手術(shù)操作而引起術(shù)野變化是非常必要的。由于在手術(shù)前對(duì)某一病例要進(jìn)行真實(shí)的手術(shù)模擬，因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將得到充分地利用。

3、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在手術(shù)中的應(yīng)用：為了充分利用集中有手術(shù)方案信息的地圖，手術(shù)醫(yī)生要隨時(shí)參照這個(gè)地圖，然而，如果這個(gè)地圖沒有與實(shí)際空間對(duì)應(yīng)，因此就不會(huì)起任何作用。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)恰好能將虛擬空間上的地圖信息與實(shí)際空間的圖像吻合，這是外科醫(yī)生理解地圖所提供信息的必須條件。在這一基礎(chǔ)上，手術(shù)醫(yī)生就可用這一地圖很容易地驗(yàn)證手術(shù)中當(dāng)前所操作的位置是否是真正計(jì)劃的位置、是否是在模擬的路徑下進(jìn)行手術(shù)。 　　提供給手術(shù)醫(yī)生三維地圖的立體圖像裝置有多種，如Volumegraph，它是一種能顯示靜態(tài)虛擬空間的裝置，能將實(shí)際患者與在計(jì)算機(jī)上生成的三維地圖圖像通過半透鏡重疊，作出透視患者內(nèi)部的效果，此時(shí)，實(shí)際患者與地圖在位置上正確地對(duì)應(yīng)是相當(dāng)重要的，此外，在術(shù)中由于手術(shù)時(shí)間較長而導(dǎo)致臟器位置偏移的位置修正管理系統(tǒng)也是必需的。

4、在虛擬醫(yī)院中的應(yīng)用：如果在計(jì)算機(jī)的某一虛擬空間上集中有某一手術(shù)方案的信息，為數(shù)眾多的手術(shù)醫(yī)生就可以介助網(wǎng)絡(luò)共享其信息。為實(shí)現(xiàn)這一目的，首先要將從初診到治療這一階段患者的醫(yī)療數(shù)據(jù)匯總到電子化的數(shù)據(jù)庫中，并統(tǒng)一病例卡的書寫方法、圖像處理數(shù)據(jù)的格式、通信方法，醫(yī)院內(nèi)外均可共享的數(shù)據(jù)；其次，在虛擬的空間中設(shè)置圖像診斷支援系統(tǒng)及手術(shù)模擬系統(tǒng)等，眾多的醫(yī)生可通過網(wǎng)絡(luò)共同協(xié)調(diào)工作。 這樣一種網(wǎng)絡(luò)上的虛擬醫(yī)院(Virtual hospital)，可使整個(gè)虛擬醫(yī)院的成員共享診斷圖像及檢查數(shù)據(jù)，并通過圖像、聲音、文字等多媒體技術(shù)進(jìn)行交流，共同籌劃手術(shù)方案及進(jìn)行手術(shù)模擬，并可實(shí)時(shí)根據(jù)手術(shù)進(jìn)展情況對(duì)手術(shù)醫(yī)生提供支援。此外，從原理上講，也可對(duì)手術(shù)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)遙控操作。通過虛擬醫(yī)院，專家也可參與手術(shù)，只是由于通信響應(yīng)遲緩，使遙控操作者處于輔助現(xiàn)場手術(shù)者的地步。虛擬醫(yī)院并不局限于手術(shù)，也可用于診斷及藥物治療等多種用途及成為為邊遠(yuǎn)地區(qū)提供良好治療環(huán)境的遠(yuǎn)程醫(yī)院(telemedicine)。