浅析基于VR虚拟现实技术的神经外科医疗虚拟仿真实训系统

浅析基于VR虚拟现实技术的神经外科医疗虚拟仿真实训系统

封勇  薛娇  薛凯

青岛市黄岛区人民医院

摘要：将虚拟现实技术和神经外科医学解剖、手术操作技术相结合，以神经外科医疗技术作为研究对象，设计并实现神经外科医疗虚拟仿真实训系统是目前非常重要的发展方向之一。本文在分析国内外研究现状基础上，通过探讨虚拟现实技术在神经外科手术实验教学应用中的优势，对虚拟现实的关键技术进行研究，包括三维建模技术、碰撞检测技术等。结合神经外科医疗的实验要点，从用户、模型、场景、功能等方面对系统进行需求分析，并给出虚拟系统开发总体架构。在分析神经外科医疗虚拟仿真实训系统设计基础上指出其主要发展趋势，从中可以看出基于VR虚拟现实技术对促进神经外科医学实验教学发展具有现实意义。

关键词：虚拟现实技术；神经外科；虚拟仿真；发展趋势

1. 引言

神经外科医疗技术作为一门实践性较强和风险性极高的学科，其专业特点决定了教学应侧重于临床操作的实验教学[1]。学好此学科不但需要掌握扎实的理论知识、解剖知识，而且需要在临床老师的监督指导下，反复进行实验训练。然而目前的神经外科医学课程的教学方式仍然以传统图片、PPT等多媒体方式教学为主，教学侧重理论基础知识的讲解而轻视实践操作[2]。传统的实验教学难以满足神经外科医学教学的实践性需求，要解决上述的问题就需要探索新的具有实践性的实验教学方式。

虚拟现实技术是一种运用计算机仿真技术、人工智能、三维显示技术、计算机图形技术等模拟生成的虚拟三维世界，供用户体验和交互的新兴技术[3]。将虚拟现实与神经外科医学的实验结合是目前的研究趋势之一，能很好的解决上述神经外科医学的实验教学问题。在传统的医疗教学训练中，往往是以人造仿真模型、动物、尸体或者病人等为对象进行练习，然而却存在各种各样的缺陷。如人造仿真模型真实感较差、动物解剖与人体解剖差异巨大、尸体与真实人体解剖存在伦理和训练资源消耗获取困难等问题，这些因素导致医生得不到充分有效的训练。在虚拟医疗训练平台上，以虚拟现实的方式模拟真实环境，使得训练内容的重复实施极其便利，可以大大地缩减医疗人员训练周期，提高学员医疗训练效率。

2. 国内外研究现状及应用

自上世纪八十年代末以来，虚拟现实技术从实验室的研究逐渐开始应用于各个应用领域。

虚拟现实技术是美国首先提出来的，并且在美国的应用非常广泛。美国研究中心开发的飞机和车辆驾驶的虚拟培训降低了军用飞机和装甲车的培训成本[4-5]。美国宇航局基于虚拟现实开发的哈勃望远镜远程维护虚拟训练系统，用来训练宇航员在失重空间环境下进行精确操作的能力[6-7]。美国田纳西大学研究的 360°VR 幻想景观的互动旅游虚拟系统，系统能提供舒缓的音乐，疼痛患者能以恒定的速度穿越景观和景观的物体[8]。英国的 UK Haptics 公司研发的护士静脉注射培训的触摸式三维虚拟系统，护士可以对不同年龄段和不同伤口的虚拟手进行注射练习[9]。日本分部与世峰数字公司合作研发出产品设计和制造设备虚拟现实系统，在产品设计虚拟现实系统中，设计师能够缩短产品开发的周期[10]。日本原子能研究所以立体影像再现福岛第一核电站反应堆厂房内部场景[11]，可用于报废作业训练，能大幅提高报废作业的安全性和效率。

我国虚拟现实技术的研究起步较晚，但是，国内高校在虚拟现实教学研究中已经取得一些可观的成果。华南理工大学以离心及压力铸造工艺实验为例，通过对真实车间场景进行实地测绘、建模，应用虚拟现实技术逼真再现工艺场景，原创性地开发了一套金属特种铸造工艺虚拟实验教学系统[12-13]，使学生能够学习工艺知识、了解装备内部工作原理、学习关键技术参数，扩充了实验课程教学内容的深度。北京邮电大学研发出智慧物流装备系统设计及自动化虚拟实验系统，使学生能安全、高效的开展典型物流输送系统出入库过程实操训练[14]。浙江大学的血管急重症的临床思维虚拟仿真教学系统，将丰富的医疗资源转化为教学资源，医学生能主动地学习疾病诊疗过程，巩固疫病的知识基础，提高学生临床实践能力。

综上所述，针对当前神经外科医疗知识、手术应用困难等问题，鉴于VR虚拟现实系统可内嵌至VR眼镜、VR手柄等移动终端设备，该系统还可推广进入大学教学实验室及各级医院实训室，提供给医学生和临床医师进行神经外科领域各项临床技术的学习和训练。

3. 神经外科医疗虚拟仿真实训系统构建面临问题

3.1 医疗仿真实训系统研究内容

基于VR虚拟现实技术的神经外科医疗虚拟仿真实训系统研究的主要内容以神经外科医疗实验为研究对象，使用 3DS Max 建模软件制作神经外科医疗的实验室、工具器械、实验对象等模型，利用 Unity3D 虚拟仿真软件实现系统的交互，开发出神经外科医疗虚拟仿真教学系统。主要内容安排如下：

（1）神经外科理论知识教学。介绍神经外科医学的基础知识，包括颅脑正常组织结构，常用手术器械，特殊手术设备等，学生可通过该虚拟仿真系统的虚拟三维模型进行立体或者剖面观察，深刻了解神经外科的组织结构与医疗设备功能等内容。

（2）神经外科常用手术方式的手术操作流程教学。通过模拟神经外科手术操作，让医学生、临床医师摆脱枯燥的理论想象，体验真实的手术操作过程，实现在神经外科医学教学过程中对治疗方案和手术操作过程进行虚拟图像和医疗效果评估的功能教学。

（3）成果测评。对学生和应用临床医生进行在线考试，考察学生的学习掌握情况。此模块主要设计为两大阶段：理论考核和手术操作考核，每个阶段都有单独的考试时间，依据考试的完成答案给用户进行评分。

3.2 医疗仿真实训系统需解决关键问题

虚拟仿真实验教学利用三维建模技术构建虚拟实验环境，基于神经外科治疗实验结合虚拟现实技术，开发虚拟仿真实验实训系统。涉及的关键技术如下：

（1）三维建模技术。三维模型是三维虚拟环境构成的基本要素，因此，三维建模技术是虚拟现实技术的核心之一。三维建模技术是指将真实世界的数字空间的所有信息，在虚拟环境中完全再现。现在比较流行的建模技术主要有实体建模技术、几何建模技术、特征建模技术、行为建模技术、参数化与变量化设计技术等。

（2）碰撞检测技术。碰撞检测技术主要是对虚拟世界中物体与物体的碰撞物理属性进行响应检测，更加逼真的模拟自然现象。如在本系统的研究的虚拟手术场景中，操作手术工具需要与颅脑颅骨、脑组织、血管等产生碰撞检测，避免发生不符合现实的物理特性使得整个虚拟系统不真实。

4. 医疗虚拟仿真实训系统解决方案

医疗虚拟仿真实训系统主要由神经外科临床“组织结构解剖”、“测评考试”和“手术治疗”三大训练模块构成。虚拟现实系统的开发的一般流程包括模型制作和交互开发两大阶段。需要进行信息采集，信息采集具体是对虚拟场景的信息进行采集，具体的场景信息包括模型的大小、比例、纹理贴图等基本信息、模型与模型的相对位置、模型在场景中的位置信息。信息采集完成后，使用 PS 对采集的图片进行修正，导入到 3DS Max 中，然后，在 3DS Max 三维建模软件中建立相应模型并进行贴图，实现模型优化并导出 FBX 格式文件。接下来将模型导入到 Unity3D软件，在 Unity3D 中编写相关代码来实现预期交互功能，最后在完成一系列的测试后，将系统发布成不同的版本。

以上基于VR虚拟现实技术的神经外科医疗虚拟仿真实训系统设计方案，具有一定的可行性，分析如下：（1）技术手段可行。目前VR技术已成功应用于安全培训，取得了较好的培训效果。基于VR虚拟现实技术，借助Unity3d、3dmax等软件平台，实现对神经外科颅脑组织正常解剖、神经外科常规手术技术等建模展示。（2）系统设计开发思路可行。结合神经外科教学实训要求，构建实训系统总体功能框架，设计软件实现架构；针对神经外科虚拟手术训练系统中力反馈等物理特性实现方法进行研究。（3）医疗资源优势可行。经过多年积累，目前国内有众多团队拥有大量神经外科医疗案例，具备一手临床诊断案例，常用手术设备，熟悉神经外科的正常组织结构与各类手术技术。

5. 结论

随着VR技术的不断发展与完善，基于VR虚拟现实技术的神经外科医疗虚拟仿真实训系统已成为医疗实习、培训、实操的重要发展方向。本文在分析神经外科医疗虚拟仿真实训系统国内外研究现状基础上，讨论了医疗仿真系统构建面临的科学问题，并给出了相应的解决思路用于方案。以“神经外科医疗实训”为出发点，设计线上模拟“基于VR虚拟现实技术的神经外科医疗虚拟仿真实训系统”系统构建。该系统将虚拟现实与仿真实训相结合，依托神经外科实践操作训练实体平台，将各类神经外科临床诊疗操作模拟训练纳入其中，利用力触觉反馈虚拟仿真系统系统，实现模拟实操训练。最后，本文对基于VR虚拟现实技术的神经外科医疗虚拟仿真实训系统发展趋势进行了分析，为其未来发展指明了方向。

参考文献

[1]李晓路.基于虚拟环境的神经外科实验教学模式研究[D].第四军医大学,2015.

[2]曹霞,张建中,孙喆.仿真模拟系统在神经外科医学实验教学中的应用[J].实验室研究探索,2010,29(01):129-131+134.

[3]常 路 遥.基于3Ds Max 的虚拟现实场影在教育中的应用研究 [D].河 南 大学,2018.

[4]张凌空.基于 SPH 的洪水灾害仿真[D].华北水利水电大学,2017.

[5]羊凤明.利用虚拟现实技术实现 E-Learning 教学系统中的实验功能[D].华东师范大学,2011. 

[6]栾飞.基于Unity3D 的液压传动虚拟仿真教学系统开发 [D].山东建筑大学,2015.

[7]赵昕.浅议 3DS MAX 与虚拟现实技术在教学实践中的融合[J].大连教育学院学报,2018,34(04):71-72.

[8]尚 玲.基于双目视差的液晶三维立体显示系统设计与实现 [J].中国西部科技,2014,13(08):18-19.

[9]李靓靓,程乃伟,施盛文.基于 Unity 的 3D 虚拟校园漫游系统的研究[J].科学技术创新,2018(14):70-71.

[10]李俊军.基于 Unity3D 的室内建筑三维建模与交互系统实现[D].中国矿业大学,2014.

[11]孟庆轩,刘洋,赵海峰.基于虚拟展厅的学生作品展示系统设计与实现[J].计算机时代,2014(10):41-43.

[12]谭河，郭光友，王大君等．虚拟现实技术在鼻腔镜手术仿真训练系统中的应用研究［Ｊ］．系统仿真学报,2001．

[13]张绍祥，王平安，刘正津等．首套中国男、女数字化可视人体结构数据的可视化研究［Ｊ］．第三军医大学学报，2003，25(7):563-565．

[14]郭燕丽，张绍祥，刘正津等．首例中国可视化人体心脏三维重建及临床意义［Ｊ］．第三军医大学学报,2003，25(7)：569-571．