随着科学技术的进步，计算机在各个领域起着不可估量的作用。近年来虚拟现实（Virtual Reality)技术达到了新浪潮。它是充分利用计算机的高级计算能力并借助辅助工具来达到对现实世界的虚拟化。虚拟手术训练系统是虚拟现实技术在医学领域的一个典型应用。那什么是虚拟手术呢？该技术的实际意义和技术难点在哪里?国内进展如何呢？

为了回答这些问题，e科网对北航虚拟现实技术与系统国家重点实验室潘俊君老师做了专访。

2015全国科普日北京主场，潘老师正在虚拟手术模拟器上进行训练示范

潘俊君老师主要研究方向包括：虚拟手术，计算机动画，三维医学可视化，计算机视觉等。他在英国研究期间， 带领团队研发了世界首台直肠癌腹腔镜手术的虚拟训练系统，其成果得到国际学术及工程界的广泛认可，并获得BBC电视台、报纸及知名医学杂志的采访与报道。在美国研究期间，作为软件组负责人，与哈佛大学医学院合作参与了美国国家卫生研究院（NIH）专项基金支持的世界首台通过人体天然孔洞的虚拟内窥镜手术系统的研发。推出了一款虚拟手术系统专用的物理引擎：SoFMIS-NOTES。

2013年11月，怀着科技实业报国之心，作为北航“卓越百人计划”引进人才，潘俊君老师来到北京航空航天大学计算机学院继续开展其虚拟手术训练系统研究。

潘老师待人热情为人质朴，思维活跃，典型的海归实力派青年学者。潘老师介绍说虚拟手术技术是一种多学科交叉的前沿技术，是由医学图像数据出发，应用计算机图形学重构出虚拟人体软组织模型，模拟出虚拟的医学环境，并利用触觉交互设备（力反馈器）与之进行交互的模拟仿真系统。

潘老师认为这种技术的出现将给国内临床领域带来重大的变革。

传统的手术过程存在风险高，病人痛苦大，术后效果不理想等缺点，手术效果受医生个人业务水平影响很大。尤其是近年来外科微创手术成为热点。虚拟手术系统，为医生提供了一个虚拟的3D环境以及可交互操作平台，可以逼真地模拟临床手术的全过程。利用虚拟手术系统，医生可以在对病人实施复杂手术之前进行练习，把通过成像设备获取的病人图像及模型导入仿真系统。医生还可以对实际手术作出相应的规划，或者对病变缺损部位进行较精确的前期测量和估算，从而预见手术的复杂性。运用增强现实技术可以使医务工作者沉浸于虚拟的场景内，可以通过视、听、触觉感知并学习各种手术实际操作，体验并学习如何应付临床手术中的各类突发情况。这样节约了培训医务人员的费用和时间，使非熟练人员进行手术的风险性大大降低，对提高医学教育与训练的效率和质量以及改善医学手术水平发展不平衡的现状有着特殊的意义。

虚拟手术训练系统在国外已经成为主流，而国内市场刚刚开始

据潘老师介绍，由于国内外医疗环境的差别，虚拟手术在国外已经非常普遍，国外由于医用尸体的短缺以及对动物的保护，外科医生的训练手段相当有限。因而虚拟手术模拟器就提供了一种有效的训练手段，目前已经成为临床培训的主流方式。而国内还处于起步阶段，有着巨大的市场空间。

目前国内针对外科手术训练通常是在尸体、动物或者人工合成物（如硅胶）上进行的。 尸体能够提供一个真实的解剖结果，但是来源稀少，并且尸体跟活体对手术器械表现出的响应并不相同。动物活体能够表现出真实的响应，但费用昂贵，并且在医学伦理道德上越来越受到限制。人工合成物价格便宜，但是不能很好地反应软组织的物理特性。相比之下，虚拟手术技术具有手术环境及器械响应可控，可重复演练等多项优点，成为未来外科培训的趋势。

近年来，我国医患关系紧张，有一个原因就是与初级外科医生训练时间少，技术不成熟有关。不过随着我国的社会发展，尸体的获得会越来越难，以及医患关系的紧张，都不断要求医院采取新的有效手段训练医生的手术技能。因此虚拟手术未来在我国将具有巨大的发展潜力。医生借助虚拟手术模拟器进行手术训练及规划，可降低手术训练以及治疗的成本和风险；减少医生培训教学中对动物和尸体的依赖；提高临床医学诊断、治疗的技能和精度；使得高难度手术得以更快地普及；减轻患者的治疗痛苦、缩短滞院时间、降低医疗支出。

北航虚拟手术训练系统的研制打破了国外的垄断

潘老师回国后带领团队开发出了具有自主知识产权的更为先进的虚拟手术训练系统。据潘老师介绍，他们研制的系统目前已经与国内几家大型医院展开合作，计划投入使用。由于国内没有类似的产品技术，国外的商业医学模拟器垄断了整个市场，而且具有绝对的定价权，一台以色列的腹腔镜手术模拟器（Simbionix-Lap Mentor）基本配置大概在100万人民币左右，而且只有最基本的功能模块。如果后期要增加新的模块，还需要购买，大概一个模块价格在15万左右。而国内北航同样的虚拟手术模拟器基本配置价格在60万左右，并使用符合中国人特征的病例模型，这将有效打破国外产品的市场垄断。

图1 潘老师正在虚拟手术模拟器上进行训练示范

潘老师团队研制的虚拟手术模拟器，如图1所示。系统主要包括操作手柄和显示屏。显示屏用来显示虚拟人体软组织模型。操作手柄连接力反馈器，提供交互功能。用户通过操作手柄对虚拟人体组织模型进行手术模拟。目前该手术训练系统提供的虚拟训练包括基础训练、消化外科和肝胆外科等模块，如图2所示。未来还将开发妇科以及泌尿外科等模块。其中，基础训练模块是用来帮助医生熟悉基本的微创手术操作，如图3和4所示。潘老师也给我们示范了具体病例的手术训练，如图5所示。整个系统运行的视觉效果非常逼真，令人叹为观止。

图2 腹腔镜手术模拟器桌面

图3 基础训练科目1（移动微小物体）

图4 基础训练科目2（剪切）

图5 潘老师（左）向我们示范虚拟手术训练

虚拟手术技术的未来规划

对于该技术的今后发展与应用，潘老师满怀信心。学以致用是潘老师心中的理想，潘老师希望未来能将虚拟手术训练系统进一步产业化，可以在临床领域大范围的推广，让虚拟手术训练系统可以帮助外科医生提高技能、提升效率，从而造福社会大众，同时他也会继续带领团队不断研发其他功能模块，不断完善该系统的性能，继续引领国内的技术发展。

潘俊君老师简介：

潘俊君，男，博士，入选北航“卓越百人计划“

1981年11月出生。本科、硕士毕业于西北工业大学计算机学院，2006年9月获得英国伯恩茅斯大学的三年全额奖学金，进入英国国家计算机动画中心（NCCA）攻读博士学位，2010年博士毕业后在该中心从事博士后研究。2012年到2013年，在美国伦斯勒理工的医学模拟、仿真与成像中心担任Research Associate。2013年11月，通过北航“卓越百人计划”引进，成为北京航空航天大学计算机学院副教授。

已在Computer Animation & Virtual Worlds、International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery、The Visual Computer、International Journal of Imaging Systems and Technology等国内外期刊、专著及学术会议上发表四十余篇学术论文。并担任International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery等多部国际期刊的评审人。2008年获得“伯恩茅斯大学学者”荣誉头衔。

更多信息请参见个人主页：http://nccastaff.bournemouth.ac.uk/pjunjun/

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