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学术沙龙

物理仿真在腹腔镜虚拟手术中的作用

导读：虚拟手术是集现代医学、计算机图形学、生物力学等诸多学科为一体的新型交叉研究领
域。 其目的是使用虚拟现实技术来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，包括：手术计划制定、
手术排练演习、手术技能训练等。 相比于传统手术技能训练方法，使用基于虚拟现实技术的手术
模拟器进行手术培训具有可重复使用、无实际风险、手术类型丰富等优势。 虚拟手术需要在视觉、
力触觉、听觉等多个维度尽可能真实地模拟手术场景，是虚拟现实领域的技术前沿。 而腹腔镜手
术因其创口小，术后恢复快等优势变得越来越流行。 如何利用物理仿真实现腹腔镜虚拟手术中复
杂手术场景的仿真并保证真实性、实时性、算法稳定性已成为亟待解决的重要问题。

随着医疗技术的进步，医学发展呈现出内科外科化，外科微创化的趋势，而与传统的手术方法
相比，微创、无创技术显著降低了手术风险，患者创伤小、疼痛轻、出血少、康复快，是国际医疗技术
发展的重要趋势之一。 以普外科和泌尿外科为例，目前有医院已有超过 ８０％的腹腔手术采用腹腔
镜来完成。 传统的手术技能教学以师带徒的＂ 传、帮、带＂ 为主要的培训模式，培训周期长，培训风
险大。 在微创手术时代，随着手术录像广泛普及、仿真材料大量涌现、虚拟技术快速发展，传统的
培训模式已不能满足外科医生的成长需求。 一项针对住院医师的手术培训满意度调查显示，４０％
以上的住院医师认为，高年资医师在手术中的参与过多，导致住院医师培训机会较少，使得培训效
果并不令人满意。 ８０％的住院医师认为，经过住院医师培训，自己仍没有足够的信心独立完成手
术。

以普外科结直肠手术为例，研究表明，要达到比较熟练和自信地完成腹腔镜结直肠手术，至少
需要 ５０ 例的训练。 然而，７０％的普外科住院医师表示，他们在目前的住院医师培训模式下，作为主
刀，仅完成了不足 １０ 例的此类手术。 因此，手术技能的提升不能仅依赖真实手术的训练机会。 传
统的腹腔镜手术技能训练方法包括：训练箱训练、在动物或人的尸体上训练、在有经验医生的监督
下直接在病人身上进行手术等。 传统训练方法中，训练所用材料价格昂贵、大多不可重复使用，而
且和真实人体结构、材质有很大区别。 若直接在病人身体上进行手术训练，即使在有经验医生监
督下，仍然存在一定的手术风险。

针对上述问题，腹腔镜虚拟手术仿真可以提供很好的解决方案，其具有无手术风险、性价比
高、手术类型丰富、可重复使用、可提供实时指导和手术技能评分等优点，是提高腹腔镜手术医生
技能的有效方法。 虚拟手术仿真技术利用计算机技术，可以从视觉、听觉、触觉等多个方面对复杂
手术场景进行仿真。 基于虚拟现实的手术模拟器技术涉及到多个学科知识的交叉，而且涉及多种
物理仿真类型和现象，比如刚体、柔体、流体以及结扎、切割、灼烧等现象。 首先，对人体器官的形
变模拟不仅需要物理仿真技术和各种数值方法，还需要根据不同的手术场景对模型的准确性、实
时性、稳定性和普适性进行平衡。 这种模型的构建和求解一直是计算机图形学和虚拟现实领域重
要的研究方向之一。 除了物体变形和交互的建模，有些场景比如缝合，还需要将不同类型物理模
型进行耦合，缝合线在缝合过程中必须满足沿着缝合路径前进等约束。 在物体的交互和耦合当中
需要进行碰撞检测和碰撞处理（法向力和摩擦力的处理）。 另一方面，虚拟手术中手术器械与人体
组织之间的力反馈渲染（ 渲染帧率要求＞ １０００Ｈｚ） ，对物理仿真算法的实时性产生了极大的挑战。
综上所述，对基于 ＶＲ 的手术模拟器研究和开发具有重大科学价值。

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