虛擬手術仿真系統是虛擬現實技術在醫學領域的一個典型套用。虛擬手術是由醫學圖像數據出發，套用計算機圖形學重構出虛擬人體軟組織模型，模擬出虛擬的醫學環境，並利用觸覺互動設備與之進行互動的手術系統，如圖1所示。虛擬手術系統，為醫生提供一個虛擬的3D環境以及可互動操作平台，逼真的模擬臨床手術的全過程。與傳統的手術教學相比，虛擬手術具有無損傷性、可重複性和可指定性等優點。但是，該領域的大部分研究僅限於仿真的可視化階段，由於缺乏觸覺效果，醫生在虛擬環境下完成的手術與臨床環境差別很大。
基本介紹
- 中文名：虛擬手術
- 外文名：Virtual Surgery-VS
- 簡介：是集醫學、生物力學、機械學、
- 研究背景：建立手術前規劃使用的虛擬環境
- 研究現狀：可互動的虛擬仿真系統。
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建模方法
生物軟組織是虛擬手術中一個重要的對象，其形變模型有：非物理模型、質量－彈簧模型、幾何形變模型和有限元模型。其中質量－彈簧模型與有限元模型是在軟組織力學建模方面套用最多的模型。
擴展閱讀
[1] 劉笑宇. 角膜移植縫合作業的力學建模與仿真. 北京航空航天大學碩士學位論文，2008
[2] Sarah F, Gibson F. 3D Chain Mail: a fast algorithm for deforming volumetric objects. Proceedings of the Symposium on Interactive 3D Graphics, 1997: 149-154
[3] 左力, 李錦濤, 王兆其. 基於軸變形技術的實時人體肌肉變形. CAAI2002機器人感知與虛擬現實學術會議, 2002
[4] 張美超, 趙衛東, 原林等. 建立數位化中國男性一號膝關節的有限元分析. 第一軍醫大學學報, 2003, 23(6): 527
[5] 錢西漢, 王成燾. 個性化人工髖關節的多代理設計. 生物摩擦學與人工關節學術研討會議論文, 2000
[6] 趙成龍. 虛擬手術中軟組織建模與力反饋算法研究. 燕山大學碩士學位論文，2013
簡介
現代科學技術的發展越來越體現多門學科的交叉和滲透。虛擬手術（Virtual Surgery-VS）作為正在發展起來的研究方向，是集醫學、生物力學、機械學、材料學、計算機圖形學、計算機視覺、數學分析、機械力學、材料學、機器人等諸多學科為一體的新型交叉研究領域。其目的是：使用計算機技術（主要是計算機圖形學與虛擬現實）來模擬、指導醫學手術所涉及的各種過程，在時間段上包括了術前、術中、術後，在實現的目的上有手術計畫制定，手術排練演習，手術教學，手術技能訓練，術中引導手術、術後康復等。
虛擬手術這個研究方向目前正在逐步形成之中，與之相關的一些研究方向主要有：醫學可視化（Medical Visualization），醫學增強現實（Medical augmented Reality），醫用機器人，手術模擬（Surgery Simulation），圖象引導手術（Image Guided Surgery），計算機輔助手術（Computer Aided Surgery，Computer Assisted Surgery）等。我們認為使用虛擬手術（Virtual Surgery）這個名詞更加能夠充分體現虛擬現實（Virtual Reality）作為計算機圖形學在醫學治療過程中的作用，充分體現了人機互動和真實感。國外也有稱此方向為虛擬手術室（Virtual Operating Room）或醫學虛擬現實（Medical Virtual Reality）。
虛擬手術是利用各種醫學影像數據，利用虛擬現實技術在計算機中建立一個模擬環境，醫生藉助虛擬環境中的信息進行手術計畫、訓練，以及實際手術過程中引導手術的新興學科。
研究背景
虛擬手術系統在醫學上的套用起源於醫務人員對複雜的三維醫學解剖體數據的可視化需求，進而發展到能對重建的數據進行實時操作，以建立可供手術和手術前規劃使用的虛擬環境。在手術教學和仿真訓練等方面，虛擬手術系統有著令人鼓舞的套用前景。
傳統的手術過程存在風險高，病人痛苦大，術後效果不理想等缺點，手術效果受醫生個人業務水平影響很大。尤其是近年來外科整復手術成為熱點，比如顱骨修補術、鼻樑整形術、顴骨整形術等。利用虛擬手術系統，醫生可以在對病人實施複雜手術之前進行練習，把通過成像設備獲取的病人圖像導入仿真系統，醫生可以對實際手術作出相應的規劃，或者對病變缺損部位進行較精確的前期測量和估算，從而預見手術的複雜性。運用增強現實技術可以使醫務工作者沉浸於虛擬的場景內，可以通過視、聽、觸覺感知並學習各種手術實際操作，體驗並學習如何應付臨床手術中的實際情況。這樣節約了培訓醫務人員的費用和時間，使非熟練人員進行手術的風險性大大降低，對提高醫學教育與訓練的效率和質量以及改善醫學手術水平發展不平衡的現狀有著特殊的意義。
研究現狀
隨著技術的發展，最初的計算機輔助手術系統已經發展到可以針對不同的外科手術進行輔助計畫，由原來的導航、觀摩形式，發展成為具有可操作、可互動的虛擬仿真系統。日本及歐美國家一直在虛擬手術仿真領域處於領先地位。早在 1986 年，日本、美國和瑞士幾乎同時開發了由互動式 CT 機組成的導航設備，這也就是最初的計算機輔助手術系統。國外除了知名研究機構如史丹福大學，以及休斯頓國家醫療中心都有非常成熟的虛擬手術器械技術，虛擬顯微鏡技術以外，目前很多公司也在著手開發成型的手術模擬系統。此外，還有一些研究機構和商業公司也開發了許多輔助軟體產品，其中比較著名的有 MIT 的 David T. Gering 等開發的 3DSlicer以及比利時 Materialise 公司開發的系列軟體產品，它們將多種方式集中於一個系統環境中，可以實現配準，半自動的分割，表面模型生成，三維可視化和定量分析，並且可以實現術前的手術計畫和術間的手術導航，並在臨床中得到
了成功套用。
國內在計算機輔助手術系統的研究主要集中在科研院校和研究所，例如清華大學、浙江大學、上海交通大學、中國科學院自動化所等都成立了醫學影像相關的實驗室和研究院。研究方向大多集中在三維仿真、三維繪製以及軟組織模擬等。
主要用途
◆ 手術方案能夠利用圖像數據，幫助醫生合理、定量地制定手術方案，對於選擇最佳手術路徑、減小手術損傷、減少對臨近組織損害、提高腫瘤定位精度、執行複雜外科手術和提高手術成功率等具有十分重要的意義。虛擬手術系統可以預演手術的整個過程以便事先發現手術中問題。虛擬手術系統能夠使得醫生能夠依靠術前獲得的醫學影像信息，建立三維模型，在計算機建立的虛擬的環境中設計手術過程，進刀的部位，角度，提高手術的成功率。
◆ 手術教學訓練80%的手術失誤是人為因素引起的，所以手術訓練極其重要。醫生可在虛擬手術系統上觀察專家手術過程，也可重複實習。虛擬手術使得手術培訓的時間大為縮短，同時減少了對昂貴的實驗對象的需求。由於虛擬手術系統可為操作者提供一個極具真實感和沉浸感的訓練環境，力反饋繪製算法能夠製造很好的臨場感，所以訓練過程與真實情況幾乎一致，尤其是能夠獲得在實際手術中的手感。計算機還能夠給出一次手術練習的評價。在虛擬環境中進行手術，不會發生嚴重的意外，能夠提高醫生的協作能力。
◆ 術中導航與術中監護 介入治療是在手術過程中進行螢光透視法、超聲、MR下，在圖象的引導下進行定位。而虛擬手術的手術導航無須在介入環境下，將計算機處理的三維模型與實際手術進行定位匹配，使得醫生看到的圖象既有實際圖象，又疊加了圖形，屬於計算機增強現實。如手術使用了第二種成像手段，例如內窺鏡，則將實時觀測的圖象與術前CT或MRI進行匹配定位融合，對齊兩個坐標系並顯示為圖形，引導醫生進行手術。
