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1、绪论 前言：虚拟现实技术是20世纪90年代以来兴起的一门新技术，虚拟现实（Virtual reality, VR）概念由美国人加隆.兰里尔(Jaron Lanier)在20世纪80年代初正 式提出来的。虚拟现实系统的一些基础研究开始于60年代，后来随着显示技术、 传感技术、多媒体技术及视频技术的发展，虚拟现实技术开始活跃。近年来，虚拟 现实技术的迅速发展为疾病的诊断、治疗、康复以及医学教育与培训提供了一种新 的方法。 1.1 虚拟医学手术系统的发展在传统手术中，医生是在自己的大脑中进行术前手术模拟，以确定手术方案，这 是顺利进行手术所必须的准备工作，然后根据其在大脑中形成的三维印象进行手术，
2、但这种手术方案质量的高低，往往依赖医生个体经验与技能，且整个手术班子的每 一位成员很难共享某一制定手术方案人员在其大脑中形成的整个手术方案的构思信 息。使用计算机代替医生思维进行手术方案的三维构思比较客观、定量，且其信息可 供整个手术班子的每位成员共享。如果引入CT等三维图像，就可对具体图像与同 行进行交流，在虚拟空间进行三维手术模拟，并制订出较为完善的手术方案。如果 所设想的空间与现实空间及位置能够正确对应，在手术中就可随时以此为参考。 虚拟手术（Virtual surgery）就是利用各种医学影像数据与虚拟现实技术在计算 机中建立一个模拟环境，帮助医生进行手术计划、训练以及世纪手术过程中引
3、导手 术。 虚拟手术的主要应用有： ( 1) 手术方案的制定。虚拟手术利用图像数据，帮助医生合理制定手术方案， 可以预演手术的整个过程以便事先发现手术中问题。能够使得医生能够依靠术前获 得的医学影像信息，建立三维模型，在计算机建立的虚拟的环境中设计手术过程， 进刀的部位，角度，提高手术的成功率。例如，虚拟手术能够设计植入人工假体， 帮助医生在进行髋骨更换手术前通过三维成象对其尺寸和形状进行精确测量，然后 定制髋骨，这样可以把因尺寸不合格而重新开刀的比例大大降低。 (2) 手术培训。医生可在虚拟手术系统上观察专家手术过程，也可重复实习。虚拟手术使得手术培训的时间大为缩短，同时减少对昂贵的实验对象
4、的需求。在虚拟 环境中进行手术，不会发生严重的意外，能够提高医生的协作能力。对医务人员来 说较危险的动作，如在感染或放射情况下，采用虚拟临场技术可以使医生免受射线 的侵害。 (3) 远程医疗。虚拟手术与远程干预使得手术室中的外科医生能实时地获得远程 专家的交互式会诊，交互工具可以使顾问医生把靶点投影于患者身上来帮助指导主 刀外科医生的操作，甚或通过遥控帮助操纵仪器。这能使专家们技能的发挥不受空 间距离的限制。 (4) 手术导航。用真实的三维图像进行手术模拟的研究进展很快，将来，如果在 模拟手术中加入变形力来模拟及感觉反馈的功能，将可成为医学教学的工具。由于 模拟环境是单独构成的，也就是说，虚拟
5、空间与真实空间(手术对象脏器)的位置并 不一致。为解决这一问题，可以制作出脏器模型与模拟的虚拟空间位置一致且可用 三维指示器选择模型的各个部位。如果手术室中患者的实际脏器与模拟的虚拟空间 位置相对应，这一系统就可代替脏器模型，用于手术指挥。当用三维指示器选择脏 器的某一点时，立即就可显示含选择点在内的断层图像，并在该图像上标记当前所 选择的部位。它类似于卫星地面定位系统，能够实时地显示自己目前所在的地点在 地图上的位置。 (5) 虚拟医院。如果在计算机的某一虚拟空间上集中有某一手术方案的信息，为 数众多的手术医生就可以借助网络共享其信息。为实现这一目的，首先要将从初诊 到治疗这一阶段患者的医疗
6、数据汇总到电子化的数据库中，并统一病例卡的书写方 法、图像处理数据的格式、通信方法，医院内外均可共享的数据；其次，在虚拟的 空间中设置图像诊断支援系统及手术模拟系统等，众多的医生可通过网络共同协调 工作。这样一种网络上的虚拟医院，可使整个虚拟医院的成员共享诊断图像及检查 数据，并通过图像、声音、文字等多媒体技术进行交流，共同筹划手术方案及进行 手术模拟，并可实时根据手术进展情况对手术医生提供支援。 1.2 国内外发展情况 现在世界各国都在致力于开发手术模拟系统，在这个方面日本欧美等国家的研究起 步较早，目前在虚拟手术技术的各个方面也都处于领先状态。随着计算机图形技术 及虚拟仿真技术的不断发展，
7、手术模拟系统的开发工作也取得了很大的进展。 德国的卡尔斯鲁厄研究中心(Forschungszentrum Karlsruhe)的Uwe GKtihnapfelI4 等人于1997年研制成功虚拟腹腔镜手术训练系统Kadsmhe Endoscopic Surgery Trainer。他们开发了功能强大的3D模拟软件KISMET作为训 练系统的核心软件，可完成实时的物理学模拟、运动学模拟以及快速的3D图形渲 染等功能。该训练系统采用弹簧振子(maSsspring)模型模拟子宫等软组织形变， 通过添加父结点使物体两侧的结点产生联系，使面模型形变表现出体行为，满足了 实时性和逼真性的要求；该研究中心于2
8、002年又推出了系列系统VSOne。 美国GE Research&Development Center开发了医学虚拟内窥镜系统(virtual endoscopy medicalapplication：VEMA)。该系统采用先进的分割、重建、显示和 自动路径规划算法，使用器官的CT或MRI切片图像，生成器官的3D内表面模型， 模拟视频内窥镜的功能。VEMA支持多视图技术，如细节放大、同步显示器官内外 3D视图、组合2D和3D表面视图，在人体空腔管道中交互移动或自动航行，并且 提供了交互式解剖结构测量工具。VEMA可应用于人体许多区域：虚拟结肠镜、支 气管、血管镜检查等。其采用的目标器官的CT和
9、MRI图像同周围组织的对比度较 好，主要用于医疗人员的培训和教学。相关的其他研究成果还有：虚拟结肠内窥镜 虚拟耳窥镜虚拟食管一支气管内窥镜冠状动脉虚拟内窥镜。 Georgia理工学院图形可视化及应用中心，进行了手术模拟过程中的内脏器官实时 变形模拟相关的研究；Johns Hopkins大学计算机整合手术系统中心，进行了有关 手术用CADCAM， 以及CIS的相关研究；Kings College London的计算机图形 科学工作组进行了远程手术系统的开发，以及相关方面的研究。而且目前有些公司 已经着手开发成型的手术模拟系统，比如OLYMPUS光学工业株式会社正在开发的集 手术计划、手术模拟、手
10、术导航等功能于一身的成型设备，以及3DIncorporated 开发的由CT画像自动生成三维立体图像的手术模拟系统。 我国虚拟现实技术在医学中的应用研究尚处于起步阶段，只有为数不多的机构在进行如远程医疗，器官3D显示、计算机辅助手术等方面的初步技术研究。由于虚拟 现实设备非常昂贵，近年来，国内大多数研究被限制在介绍国外的进展或理论探讨 的范围内。目前与医学相关的虚拟现实技术的应用主要包括；虚拟内窥镜检查、放 射治疗模拟定位，虚拟手术等领域。2002年6月中国“虚拟人”计划正式启动， 该项目由中国科学院、解放军第一军医大学、首都医科大学、华中科技大学 4个 单位承担。2003年第一军医大学和第三
11、军医大学完成了首个虚拟中国人(Visible Chinese Human,VCH)的切片(厚度为0.10.2mm)和二维图像数据收集工作。目前 中国成为继美国、韩国后第三个拥有本国虚拟人数据集的国家。可以预言， “虚拟 中国人”的诞生将会促进我国虚拟现实技术在医学领域的发展。 1.3 本文主要工作 本设计是膝关节镜手术中前交叉韧带修复手术的仿真，首先要了解和研究膝关节镜 手术中前交叉韧带修复手术的手术步骤、所需工具和注意事项等；然后将预先建好 的3ds max手术模型导入到 EON中，根据手术的真实步骤和操作进行手术的仿真。 2 膝关节镜手术中前交叉韧带修复术简介 2.1 关节镜手术介绍 关节
12、镜是一种观察关节内部结构的直径5mm左右的棒状光学器械，是用于诊治关节 疾患的内窥镜。该器械从1970年开始在我国推广应用。关节镜在一根细管的端部 装有一个透镜，将细管插入关节内部，关节背部的结构便会在监视器上显示出来， 因此可以直接观察到关节内部的结构和病变情况。 关节镜手术是一种微创手术，开始主要应用于膝关节，后相继应用于髋关节、肩关 节、肘关节及手指等小关节等。关节镜手术对关节病症的诊断准确，手术创口小， 术后恢复快，并发症少。 2.2 前交叉韧带修复手术介绍 2.2.1 手术概况 膝关节前交叉韧带损伤是较为常见而又严重的运动性损伤，治疗不当将会导致膝关 节功能性不稳，并可引起一系列后遗
13、病变而严重影响膝关节运动功能。目前，膝关节交叉韧带断裂的治疗着重于重建韧带的方法、镜下微创手术、移植物的合理选用 等。随着膝关节镜技术的不断成熟与完善，国际上开展关节镜技术较早的先进国家 镜下微创重建膝关节前交叉韧带手术已成为膝关节镜外科中具有代表性的治疗方法。 2.2.2 手术适应症与禁忌症 前交叉韧带修复手术的适应症：急、慢性前交叉韧带断裂。 禁忌症：局部或远处有感染者。 2.2.3 手术步骤 1）术前准备：麻醉、调整体位、合理使用止血带。 2）关节镜检查：沿外侧入口插入关节镜，完成系统的关节镜检查。 3）切口与取腱：关节镜探明断裂肌腱，使用持物钳取出断裂肌腱。 4）制作骨道：使用定位器定
14、位后，根据移植物物理形态制作胫骨侧骨道和股骨侧 骨道。 5）引入半腱并固定：利用导针将半腱引进骨道后，用螺钉固定。 2.2.4 术后处理与康复 术后麻醉期后即可鼓励患者开始肌肉收缩练习，48-72小时内拔引流管，3-5天后 开始在0-30-60的被动活动或用CPM进行膝关节功能康复。1周部分负重， 2周全负重，3周可弃拐，3 周可屈膝到90，4周过90，5-6周至120，8周 屈伸活动应至正常，带可调性膝关节支具保护3个月，3个月可骑车、游泳，半年 后可参加一般性体育活动。 3 系统总体设计 3.1 系统设计总构架 本虚拟系统是对膝关节镜中前交叉韧带修复的仿真，总体设计分为两部分，界面和 功能
15、。第一部分，界面设计。为了模拟关节镜在膝关节里面观察的情况，我设置了 一个视窗，代表关节镜镜头所能看到情况。为了模拟医生操作的环境，我设置了一 个能看到腿部外表和工具的视窗。另外为了进行操作，我设置了两个视窗，方便进 行手术操作。因此，我把整个操作界面按比例分为四部分。界面的左上角0.6*0.4 的部分是显示手术的名称、步骤、适应症和操作提示。右上角的是0.4*0.4是整体 模拟视图的视窗。左下角的 0.6*0.6部分是关节镜所看到场景的模拟视窗。右下角0.6*0.4的部分是显示工具名称和工具的操作的按钮，并且显示有工具的操作的键 盘控制键所用到的键。 第二部分，功能设计。因为本次设计是手术仿
16、真，因此本设计的功能设计完全按照 真实手术操作步骤来进行。另外，仿真系统的目的是手术培训，对象是尚未完全熟 练进行手术操作的医护人员或者第一次进行手术培训的医护人员，所以，有必要添 加提醒功能。遵从以上两个原则，以及保证实现培训目的，我在操作界面添加了 25个按键，分别控制手术流程、操作、提示。 3.2 仿真过程的实现 整个手术仿真的过程是，点击手术名称的按钮，在屏幕左上方出现“适应症” 、 “开 始” 、 “操作提示”和“工具列表”四个按钮，如图3.2.1。图 3.2.1 点击“适应症”按钮，在“适应症”按钮后出现适应症的内容,如图3.2.2；点击 “开始”按钮，在后面出现“第一步”按钮，如图3.2.3；点击右下方的“工具列 表”按钮，出现手术过程中使用的所有器械3.2.4。图 3.2.2 图3.2.3 图 3.2.4 点击“第一步”按钮，后面出现第一步手术内容，右下角视窗出现“关节镜”和 “选刀”两个按钮，按照“操作提示”后面显示的提示内容依次点击按钮
