意大利比薩大學泌尿系研制出泌尿外科手術虛擬軟件，這種軟件既可用于教學，也可讓一般大夫進行模擬手術練習。比薩大學泌尿系主任保羅·姜諾蒂日前在米蘭的一次會議上介紹說，他和比薩大學的計算機技術人員合作，用一年時間制成這種光盤。其內(nèi)容十分簡單，很像一張普通游戲光盤，放入計算機內(nèi)即可在屏幕上顯示出一個虛擬的手術室及手術的詳細過程，學生或一般大夫可在虛擬手術中反復試驗高難度的操作方法，直至達到完美無缺為止。
現(xiàn)代科學技術的發(fā)展越來越體現(xiàn)多門學科的交叉和滲透。虛擬手術（Virtual Surgery-VS）作為正在發(fā)展起來的研究方向，是集醫(yī)學、生物力學、機械學、材料學、計算機圖形學、計算機視覺、數(shù)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圖形學與虛擬現(xiàn)實來模擬、指導醫(yī)學手術所涉及的各種過程，在時間段上包括了術前、術中、術后，在實現(xiàn)的目的上有手術計劃制定，手術排練演習，手術教學，手術技能訓練，術中引導手術、術后康復等。
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(yī)學可視化（Medical Visualization），醫(yī)學增強現(xiàn)實（Medical augmented Reality），醫(yī)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(xiàn)虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)作為計算機圖形學在醫(yī)學治療過程中的作用，充分體現(xiàn)了人機交互和真實感。國外也有稱此方向為虛擬手術室(Virtual Operating Room)或醫(yī)學虛擬現(xiàn)實（Medical Virtual Reality）。虛擬手術是利用各種醫(yī)學影像數(shù)據(jù)，利用虛擬現(xiàn)實技術在計算機中建立一個模擬環(huán)境，醫(yī)生借助虛擬環(huán)境中的信息進行手術計劃、訓練，以及實際手術過程中引導手術的新興學科。
虛擬手術（Virtual Surgery-VS）
虛擬手術的主要用途：
1、手術方案
能夠利用圖像數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)生合理、定量地制定手術方案，對于選擇最佳手術路徑、減小手術損傷、減少對臨近組織損害、提高腫瘤定位精度、執(zhí)行復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(tǒng)可以預演手術的整個過程以便事先發(fā)現(xiàn)手術中問題[1]。虛擬手術系統(tǒng)能夠使得醫(yī)生能夠依靠術前獲得的醫(yī)學影像信息，建立三維模型，在計算機建立的虛擬的環(huán)境中設計手術過程，進刀的部位，角度，提高手術的成功率。
2、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(yī)生可在虛擬手術系統(tǒng)上觀察專家手術過程，也可重復實習。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。由于虛擬手術系統(tǒng)可為操作者提供一個極具真實感和沉浸感的訓練環(huán)境，力反饋繪制算法能夠制造很好的臨場感，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(huán)境中進行手術，不會發(fā)生嚴重的意外，能夠提高醫(yī)生的協(xié)作能力。
3、術中導航與術中監(jiān)護
介入治療是在手術過程中進行熒光透視法、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(huán)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(yī)生看到的圖象既有實際圖象，又疊加了圖形，屬于計算機增強現(xiàn)實。如手術使用了第二種成像手段，例如內(nèi)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，對齊兩個坐標系并顯示為圖形，引導醫(yī)生進行手術。
4、其他作用：
4.1、保護醫(yī)生
對醫(yī)務人員來說較危險的動作，如在感染或放射情況下，精確復雜的虛擬手術干預將是十分必要和重要的。采用虛擬臨場技術可以使醫(yī)生免受射線的侵害。
4.2、降低手術費用
現(xiàn)代外科醫(yī)療檢測系統(tǒng)造價昂貴，醫(yī)療成本也很高。虛擬手術能夠縮短病人的恢復周期、降低病人和醫(yī)院的開支。虛擬手術不受手術設備的制約。
4.3、改善病人的預后
虛擬手術減少手術的并發(fā)癥，使患者恢復更迅速。例如立體定向放射神經(jīng)外科中，虛擬手術能夠優(yōu)化放射手術治療方案，降低并發(fā)癥。
建造定制的修復擬合模型虛擬手術能夠設計植入器官（對人工假體的設計）。計算機能夠幫助醫(yī)生在進行髖骨更換手術前，可通過非破壞性的三維成象對其尺寸和形狀進行精確測量，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、遠程干預
虛擬手術與遠程干預將能夠在手術室中的外科醫(yī)生能實時地獲得遠程專家的交互式會診。交互工具可以使顧問醫(yī)生把靶點投影于患者身上來幫助指導主刀外科醫(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。
由于虛擬手術技術的發(fā)展而發(fā)展起來的醫(yī)療電子設備正以每年10%的速度增長。但是虛擬手術室的硬件僅是解決信號的輸入和輸出，虛擬手術的軟件（算法）才是關鍵，軟件能很方便的改變、增減、改善系統(tǒng)的功能與規(guī)模。虛擬手術現(xiàn)實系統(tǒng)在軟件方面的研究對象主要包括：
①基于計算機圖形學的虛擬環(huán)境幾何建模和仿真；
②基于復雜對象物理特性的運動學和動力學建模及可視化仿真；
③基于人類感官的傳感信息描述和仿真；
④基于虛擬現(xiàn)實技術的科學可視化；
⑤人機交互界面的智能化及自然化。
計算機輔助外科(computer aided surgery，CAS)是一種基于計算機對大量數(shù)據(jù)信息的高速處理及控制能力，通過虛擬手術環(huán)境為外科醫(yī)生從技術上提供支援，使手術更安全、更準確的一門新技術。近年來,隨著CT、MRI等圖像診斷儀的發(fā)展，使計算機虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學中的應用得到了飛速的發(fā)展。計算機利用這些圖像信息進行三維圖像重建，為外科醫(yī)生進行手術模擬、手術導航(navigator)、手術定位、制訂手術方案提供了客觀、準確、直觀、科學的手段。同時由于這些圖像信息具有準確性和可靠性，故而被廣泛作為醫(yī)療機器人，特別是手術支援機器人等手術支援機器的控制信息源?；谶@種三維位置信息的手術支援，極大地減小了手術創(chuàng)面，最大限度地減輕了手術患者肉體上的痛苦，近而使微創(chuàng)手術也得到了快速的發(fā)展。
在傳統(tǒng)的手術中，醫(yī)生是在自己的大腦中進行術前的手術模擬，以確定手術方案，這是高效、準確、順利進行手術所必須的準備工作，然后根據(jù)其在醫(yī)生大腦中形成三維印象進行手術。但這種手術方案質量的高低，往往依賴于醫(yī)生個體的外科臨床經(jīng)驗與技能，且整個手術班子的每一位成員卻很難共享某一制訂手術方案人員在其大腦中形成的整個手術方案的構思信息。用計算機代替醫(yī)生進行手術方案的三維構思比較客觀、定量，且其信息可供整個手術班子的每一位成員共享。如果引入CT等三維圖像，就可對具體圖像與同行進行交流，在虛擬的空間(virtual space)進行三維手術模擬，并制訂出較為完善的手術方案。如果所設想的空間能與現(xiàn)實空間(患者的術野)及位置能夠正確地對應，在手術中就可隨時以此作為參考。這種基于圖像信息而構成且位置吻合的假設空間稱為增 強現(xiàn)實(augmented reality)，這與一般意義上的虛擬現(xiàn)實不同，虛擬現(xiàn)實是把現(xiàn)實中不存在的東西，真實地感觸到，而增強現(xiàn)實是在實物的圖像上增加現(xiàn)實的(或不可視的)信息。
下面讓我們來看看虛擬現(xiàn)實手術在先階段的應用情況
1、虛擬現(xiàn)實在手術模擬及手術導航中的應用：用真實的三維圖像進行手術模擬的研究進展很快，將來，如果在模擬手術中加入變形力來模擬及感覺反饋的功能，將可成為醫(yī)學教學的工具。由于模擬環(huán)境是單獨構成的，也就是說，虛擬空間與真實空間(手術對象臟器)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)。如果手術室中患者的實際臟器與模擬的虛擬空間位置相對應，這一系統(tǒng)就可代替臟器模型，用于手術指揮(navigator)。當用三維指示器選擇臟器的某一點時，立即就可顯示含選擇點在內(nèi)的斷層圖像，并在該圖像上標記當前所選擇的部位。它類似于衛(wèi)星地面定位系統(tǒng)，能夠實時地顯示自己目前所在的地點在地圖上的位置。
2、虛擬現(xiàn)實在制訂手術方案中的應用：微創(chuàng)手術是以盡可能小的創(chuàng)口通道使手術器械到達病灶部位，然后進行準確、適當?shù)牟僮?，摘除病灶且縮短了手術時間。為此，在手術前應收集治療信息及圖像信息加以分析，并將手術過程以手術模擬的方式加以預測，然后，根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結果制訂出比較完善的手術計劃。此外，還應備有手術修改計劃，準備好手術方案。在手術中應參照計劃操作，并根據(jù)情況選擇適當?shù)氖中g方案。在手術中向手術醫(yī)生提供指揮信息，首先要將手術方案輸入到系統(tǒng)中。為了實現(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)提供的手術方案的制訂功能，從最初就讓手術醫(yī)生直接參與手術方案的制訂。手術醫(yī)生在虛擬的空間中加入三維CT圖像等各種信息，在進行手術模擬的同時籌劃手術方案，并繪制出一個容易操作的三維地圖，在這一地圖上，集中著手術時所能觀察到的形態(tài)信息及其功能的重要性、手術預定部位的范圍、隨手術過程而發(fā)生形態(tài)變化的預后圖等及各種信息與相互位置的對應。此外，在手術中，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野圖像、手術中超聲斷層圖像及CT圖像等，對掌握因手術操作而引起術野變化是非常必要的。由于在手術前對某一病例要進行真實的手術模擬，因此，虛擬現(xiàn)實技術將得到充分地利用。
3、增強現(xiàn)實在手術中的應用：為了充分利用集中有手術方案信息的地圖，手術醫(yī)生要隨時參照這個地圖，然而，如果這個地圖沒有與實際空間對應，因此就不會起任何作用。增強現(xiàn)實技術恰好能將虛擬空間上的地圖信息與實際空間的圖像吻合，這是外科醫(yī)生理解地圖所提供信息的必須條件。在這一基礎上，手術醫(yī)生就可用這一地圖很容易地驗證手術中當前所操作的位置是否是真正計劃的位置、是否是在模擬的路徑下進行手術。 提供給手術醫(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，能將實際患者與在計算機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，實際患者與地圖在位置上正確地對應是相當重要的，此外，在術中由于手術時間較長而導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)院中的應用：如果在計算機的某一虛擬空間上集中有某一手術方案的信息，為數(shù)眾多的手術醫(yī)生就可以介助網(wǎng)絡共享其信息。為實現(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，在虛擬的空間中設置圖像診斷支援系統(tǒng)及手術模擬系統(tǒng)等，眾多的醫(yī)生可通過網(wǎng)絡共同協(xié)調(diào)工作。 這樣一種網(wǎng)絡上的虛擬醫(yī)院(Virtual hospital)，可使整個虛擬醫(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、文字等多媒體技術進行交流，共同籌劃手術方案及進行手術模擬，并可實時根據(jù)手術進展情況對手術醫(yī)生提供支援。此外，從原理上講，也可對手術機械手實現(xiàn)遙控操作。通過虛擬醫(yī)院，專家也可參與手術，只是由于通信響應遲緩，使遙控操作者處于輔助現(xiàn)場手術者的地步。虛擬醫(yī)院并不局限于手術，也可用于診斷及藥物治療等多種用途及成為為邊遠地區(qū)提供良好治療環(huán)境的遠程醫(yī)院(telemedicine)。
