行政院國家科學委員會產學合作研究計畫
期中成果報告
虛擬實境於外科醫療及教學之應用
- 第二年計畫
Applications of Virtual Reality in Surgical Technology and Education
-The second year program
研究類型：
產學合作研究計畫（個別型） 研究性質：基礎研究
計畫編號：
NSC 92—2622—B—002—008
執行期限：
92 年 11 月 01 日 ~ 93 年 10 月 31 日
主
持 人：張金堅 教授
共同主持人：賴飛羆
教授 洪一平 教授
李伯皇教授 李元麒 教授 賴鴻緒 教授
執行機關：國立臺灣大學醫學院外科
國立臺灣大學資訊工程學系暨研究所
國立臺灣大學計算機及資訊網路中心
合作廠商：活躍動感科技股份有限公司（出資比例：
32.39%）
成果歸屬：國立臺灣大學
中華民國 93 年 10 月 4 日
中文摘要
數十年來科技的進步改變人類的生活，也進化了醫療的方式。然而，外科 教育和訓練學生的方法卻仍停留在百年前「每次探視一位病患，幫一位病患動 手術，並教導一位學生」的師徒相授模式。在凡事講究成本效益以及病患安全的 現代社會，舊有的教學方式正面臨前所未有的挑戰。此外，手術方式及設備不 斷推陳出新，也迫使醫師必須借助更有效率的方法來訓練自己。虛擬實境模擬 訓練器的出現，使得上述外科醫療及教學的困境出現解決的可能。 虛擬實境是以電腦科技為基礎的模擬訓練系統，學習者可以在事先預設好 的環境下，反覆練習手術的技巧，熟悉有興趣的器官結構，等技術純熟後再應 用到病患身上。這樣可以增加學習效率，減少在實際病患操作時的錯誤和生疏 情形。虛擬實境的技術於醫療領域中，不僅應用在教學上，最近更有學者利用 虛擬實境的產品作為腦性麻痺患者的復建工具。除了手術技巧及教學的訓練外， 虛擬實境在醫療方面的應用還包含解剖學教學、術前計畫、遠距醫療、以及復健 等。隨著電腦計算能力的提升和價格的下降，虛擬實境將愈來愈逼近真實，對 未來人類的生活及外科醫療教育也會有更深遠的影響。 在去年的計畫，本研究團隊在國科會支持下，於民國92 年度研發完成 3D 立體虛擬支氣管鏡檢查系統（包含支氣管內視鏡影像製作、支氣管鏡導覽系統、 互動式支氣管鏡檢查系統、病患病症模擬系統、產品之專家評估及學生測試）， 並於92 年台灣外科醫學年會中試用，獲得廣泛回響。93 年度本研究團隊繼續在 國科會支持下，已經開發完成3D 立體虛擬胃鏡檢查系統與虛擬大腸鏡檢查系 統（包含食道、胃、及十二指腸與大腸內壁內壁黏膜之軟體圖像、胃鏡與大腸鏡 導覽系統、互動式胃鏡與大腸鏡檢查系統、病患病症模擬系統、產品之專家評估 及學生測試）、虛擬支氣管鏡檢查系統之三維控制器（包含支氣管鏡及模擬病 患之硬體模型）、上肢與顏面虛擬骨骼與肌肉教學系統（包含3D 立體骨骼與肌 肉解剖圖、骨骼與肌肉教學系統）。英文摘要
Technological advances during the past several decades have dramatically changed the ways in which we conduct our daily activities and practice of medicine. However, our methods of training and teaching remain mired in the 100-year-old apprenticeship model with the principle of “see one, do one, teach one”. This system of surgical education is facing many challenges in terms of time efficiency, costs, and safety of patient. In addition, as new types of operations are developed rapidly, practicing surgeons may find needs for more efficient methods of surgical skill training. One of the solutions to these problems is the development of virtual reality (VR) training simulators.
VR means computer-based simulation system, has achieved long and successful use in the fields of military and aerospace industry. With VR training simulators, the learner can practice difficult procedures under a well-controlled situation, explore the structures of interest repeatedly, and then move on to practice in a real patient. In addition to surgical technology and education, computer-based VR simulators were also widely applied in the fields of anatomy education, preoperative planning, telemedicine, and rehabilitation. As the computing power will continue to become faster and cheaper, VR simulator will become more real, and play important roles in our daily life and surgical education.
In the last two year, our research team had developed a 3D virtual bronchoscopy examination system. This product was shown on the annual meeting of Taiwan Surgical Association, and responded by a lot of attention and appreciation. Based on this achievement, we would like to spend one more year to construct immersive digital automation system (IDAS), interactive VR endoscopic examination system, and VR endoscopic operation system.
前言
三度空間(3D)虛擬實境(Virtual Reality, 簡稱 VR)不僅是政府推動之重點科技， 也是學術界、產業界爭相投入研究的主題，所衍生的應用產品更深具市場潛力， 如再配合多角化題材(Contents)的開發，不僅可無限延長既有產品壽期，還能開 發出在此之前無法想像的創意產品。未來發展相當廣泛，應用市場涵蓋娛樂、教 育、軍事、醫療、建築、工業、商業、運動、航空、公路運輸等領域。其中又以國內學 術界、產業界對於教育模擬技術的發展動態十分重視，若能配合將3D/VR 創意 與實務訓練作連結，有效整合，以醫學角度研發具有實質教育功能之虛擬實境 産品，其目的不僅在於訓練與教學之用途，亦可使用於手術前研討或計畫，可 減少新技術手術風險與降低手術死亡率，並可豐富學生的實戰經驗等等。 由於醫療技術日新月異，醫學教學系統亦復繁雜，能夠提供給醫學院學生 實習之實體教材無論數量與功能已不能滿足需求，如此情況只會繼續惡化不見 改善，是故以電腦虛擬實境模擬醫學教學之應用在近幾年逐漸受到重視，於北 歐、北美著名醫學中心陸續成立虛擬實境醫學應用教學部門與研究中心，以滿足 醫學院學生於實習課程中使用，其優點與功能為(一)不受時間、不受地點影響、 (二)互動教學、無限次數使用、(三)各種視角、自由選擇操作、(四)可昇級成立體影 像(stereoscopy)、立體音效(3D sound)、(五)不同器官、自由練習等。 科技的進步改變人類的生活，也進化醫療的方式。早年醫師只憑著聽診器、 一雙手、以及簡陋的器械，來幫病患診治疾病，施行手術。隨著醫療科技的進步 現今診斷病人的儀器已經轉變為電腦斷層、核磁共振攝影與生物科技晶片，而外 科手術也隨著電腦和視訊系統的發展進化為小傷口，低傷害的內視鏡手術。外科 醫師的雙手不再伸入病患身體，眼睛不再盯著病人的器官，而是在病患體外透 過電視螢幕，利用特殊的內視鏡器械來為病患施行手術。相較於傳統的醫療方式 科技的進步，固然為病患帶來福祉，但對醫療教學的衝擊及醫師專業能力的挑 戰也非常巨大。新的器械及治療方式不斷推陳出新，醫師也須不斷學習新的技巧 如何能快速熟悉新的技巧並隨時提供病患最好的醫療服務是現代外科醫師的責 任，卻也是無比的壓力。 科技與時代的進步同樣為醫學教育帶來莫大的改變與衝擊。醫學教育，尤其 是臨床醫學教育，是醫療體系中相當特殊的一個專業。由於醫師執行業務的對象 是和自己一樣有血、有肉、有生命、有感情的人，除了必須注重教學效果及經濟 效益外，最重要的必須兼顧醫學倫理及病患權益。也就是說，不能因為教學忽而 傷害病患的身體或影響醫療的品質。數百年來的醫學教育一直恪遵此原則進行。 早年的醫療行為以問診及處方藥物為主，很少侵入性檢查或治療；而醫學生的 人數也很少，因此一對一的學徒制教學並沒有遭遇太大困難。隨著科技進步，侵襲性的檢查、治療及外科手術愈來愈多，醫學教育的實施與病患權益的落實也面 臨愈來愈大的衝突。臨床教師在幫病患作侵襲性的檢查或手術時，常常必須讓缺 乏經驗的學生操作部分簡單的流程，卻又得時時注重醫療品質及病患權益不會 因為這樣的教學過程遭受損害，可謂左支右絀，心力俱疲。因此，如何讓學生在 學習過程中能有練習侵入性檢查甚至執行手術的機會，但又不致對病患健康及 權益造成影響，一直是臨床醫學難以達成的目標。 內視鏡是具侵襲性的檢查，內視鏡通過胃腸道的過程會引起病患的不舒服。 若操作不當，還可能引起胃腸道出血或穿孔等併發症。所以，執行胃腸與大腸鏡 內視鏡檢查的醫療人員，必須熟悉胃腸道的解剖構造和內視鏡的操作特性。透過 虛擬內視鏡檢查系統的模擬演練，受訓的醫療人員可以增加(1)解剖構造的了解， (2)檢查操作流程的熟悉，(3)診斷的協助，(4)減少病患的不適。國外早在 1994 年 開始研發虛擬大腸鏡以代替真實的大腸鏡檢查，以減少病患的不適。最近已開始 將虛擬支氣管鏡檢查系統應用在住院醫師和醫學生的訓練和教學課程上，發現 有助於提高受訓者的學習效率。 就以虛擬實境醫療教學系統而言，內視鏡檢查系統的電腦化不僅對於醫學 院學生及病人有著重大的助益，在電腦化的過程中也十分符合經濟效益，其中 最主要的控制感應器，對醫學院學生在操作練習上以及視覺模擬上皆有莫大幫 助；而以虛擬實境內視鏡手術系統的建立，也可因此讓學員透過反覆及無傷害 練習，大幅減低醫療糾紛情形發生，達到醫生與病人雙贏共榮的最大目的；180 弧型立體教學系統則是以多人同步互動之沉浸式立體影像劇院型播放系統，它 具有虛擬實境的軟體特點以及視角完全包覆的融入式效果，在教授授課的同時， 學員們可透過弧型銀幕上之立體影像充份了解到具體教學內容，並可在課程中 主動參與教材內容之選擇、瀏覽、視角更換、拼揍等等，完全主動式立體影像教 學，突破以往各類型教學系統，豎立國內虛擬實境教學之典範。 是故，虛擬實境如應用在醫學上必然造成教學上的一大革命，在台灣、甚至 中國大陸普遍缺乏教學屍體之捐獻，因嚴重不足，大部分學生無法實地解剖屍 體，且屍體或器官解剖破壞後無法復原及重覆使用，後續之處理工作更是繁複 困難。為此，電腦化之虛擬實境已迫在眉捷，先進北歐、北美等國皆已進行研究 多年，我國再不急起直追，將遠遠落後，未來勢必花費龐大金錢、更多時間，來 向他國採購與學習。本公司做法即以結合台灣本地出廠之世界知名主機大廠、高 階顯示卡、三維控制器、液晶顯示面板，用以達到降低成本但高品質、高穩定性、 高效能之目標，再搭配我國視訊軟體工程高水準之優秀人才，以虛擬實境為基 礎之科學、教學、娛樂等應用，相信未來將會為我國帶來極大産值與經濟效益。
台大外科歷年來成功完成許多亞洲第一、揚名國際之重大成就。例如民國五 十七年之活體腎臟移植，六十八年之忠仁忠義胸腹坐骨三肢連體嬰分割，民國 八十四年完成心臟手術一萬例，近年來肝癌切除病例及成功率均具世界水準等。 關於二十一世紀頗具前瞻性的移植醫學，台大外科先後完成多例腎臟，心臟， 肝臟，胰臟，肺臟之移植，並已成功完成一人同一天捐出六器官,造福六位病患 之移植手術，己是國內移植醫學之重鎮。 活躍動感科技股份有限公司是由一群來自中科院、資策會等科技精英以創造 高度寓教於樂VR 産品為理念而結合成立，自成立以來，即秉持一貫的經營方 針，融合創意與科技，研發具有教育、娛樂功能之高附加價值之產品，從創意腳 本、建立模型、貼圖模擬、程式撰寫、系統測試、硬體整合等等，每個環節皆保持 高度製作水準，同時産出之成品亦獲得各界高度的評價。各個成員都具專業經驗 精良技術及服務的熱忱，結合以上的各項，我們研究發展出專業的技術，並提 供豐富的題材；不僅在VR 高科技領域裡佔有舉足輕重的地位，亦透過本身的 技術與其它豐富題材結合，更跨足了教育及娛樂的領域，是故不但在休閒娛樂 方面提供滿分的享受，在各方教育領域方面，也提供了良好的題材，充分展現 其虛擬實境研發之實力。
傳統內視鏡（單向式）教學：學生只能聽講及觀察手術進行，毫無操作機會〈臺 大醫院支氣管鏡教學實況〉。
虛擬內視鏡（互動式）教學：學生可親自操作，並與電腦教材互動〈產學合作研 發團隊92 年之研發成果〉。
研究方法及進行步驟
對於單螢幕式內視鏡虛擬實境檢查系統之發展方向，將著重於內視鏡頭之 視角方位之控制軟體模擬以及三維控制器之硬體研究開發，就目前虛擬實境軟 體技術所能達到擬真之狀況及系統所能負載之計算量，以雙CPU 主控電腦應足 以承擔此一顯像工作，配合AGP 4X 之 nVIDIA 高速三維顯示卡，對於畫面解析 度可達到XGA 模式 32 位元，且具備 30FPS 以上之算圖播放水準，外加反鋸齒 (ANTIALIASING)效果將使畫面更加柔和與順暢。 1、採用之方法與採用之原因：將以系統研究方法與醫學角度分別作闡述： A、系統研究方法：以軟硬架構來說明整個流程與功能，最主要的是介面存取之 協定與三維控制器的使用是否具有人性化考量與即時反應之延遲量是否能降至 最低，在大量計算三角面(POLYGONS)與維持快速之圖形載入速度將決定整個 系統之良窳。 (1)、軟體架構：以 MICROSOFT DIRECTX 為發展技術核心，在虛擬實境顯像控 制 上 已 漸 進 成 熟 之 各 項 組 成 元 素 ， 包 括 DIRECT3D、DIRECTINPUT、DIRECTSOUND、DIRECTMIDI、DIRECTDR AW、DIRECTSHOW 以及 DIRECTPLAY 等等之 API，搭配使用 VISUAL C++之 COMPILER 編譯器，可將程式碼精減至最小(使用 RELEASE 模式)。 (2)、硬體架構：就 3D 立體虛擬內視鏡檢查系統硬體架構而言，除了支援虛擬實 境軟體顯像所應具備之電腦配備之外，最主要是三維控制器的功能定義與 三軸軸向操作便易性，以及連結主電腦控制端之通訊協定必須能夠穩定、 確實、不延遲，並且在計算三角面與貼圖軸運用時也能即時顯現，即 透過 主控電腦之各項即時運算於螢幕上繪出。 (3)、以醫學角度建立虛擬人體解剖模型：首先將人體解剖圖數位化，建立解剖 結構及貼圖結構，並檢查其空間方位之正確性，並將內部反光感覺予以動 態連結光源，使其能隨視角變化而産生反光，現已將虛擬鏡頭之前進、後 退、旋轉等作用在虛擬産生之人體解剖模型內，且放大顯示至多畫面同步 播放之大銀幕上，還可隨時擷取所需畫面於銀幕上排列，並配合音效與動 作産生如咳嗽般的效果，甚至清洗鏡頭的模擬，路徑角度的控制等，皆能 有良好的表現。 (4)、就 180 度弧形立體銀幕硬體架構而言，最主要是虛擬實境高階模擬技術、弧 型單曲面投影技術、即時立體視效技術、畫面同步控制技術、控制介面感應 器硬體開發、連網互動式虛擬系統等之研究開發以及三維控制器串接的功 能定義與三軸軸向操作便易性，包括一組虛擬內視鏡與兩組虛擬手術工具 之各項設定，以及支援虛擬實境軟體顯像所應具備之電腦配備。由操作人 員使用三維控制器從人體模型內伸入模擬顯微鏡管透過主控電腦之各項即 時運算於六台畫面産生器上繪出，使之産生立體影像。B、採用之原因： 以上軟硬體之架構為目前高階個人電腦所能具備之虛擬實境負荷承載量最佳 狀況，對軟體而言，使用DIRECTX8a 之圖形程式庫為目前視窗介面中效能及 功能最符合需求之API，並配合 VISUAL C++之編譯器，在同一系列之工具整 合上與穩定性上有較佳之可靠度，加上三維模型設計與建立、二維貼圖製作與蒐 集，場景建置與載入，目前技術已可成功模擬真實情況；對硬體而言，使用高 階三維加速顯示卡至四倍AGP 模式也是首選項目，三維控制器則必須另行製作， 最主要在於訊號不失真、不延遲、易操控、重量輕等技術上研發，目的要將內視 鏡檢查應用上模擬真實於最佳化之情況。是故，採用上述軟硬體之原因實為滿足 虛擬實境開發應用程式所必須之基本條件。
虛擬實境於外科醫療及教學之應用
第二年執行成果
一、180 度弧形立體銀幕硬體架構：包括 ‧ 360 度組裝式環型銀幕桁架及立體特效銀幕、投影機多功能堆疊架 3 組、 劇院式遮光布幕等設備。 ‧ 主控電腦：負責主要虛擬實境程式之執行與接收三維控制器送出之訊息， 並計算虛擬顯微鏡所呈現之視角方位與角度，並傳送資料於六台畫面産 生器，以同步控制其畫面順序。 ‧ 畫面產生器：接收主控電腦傳來之資料，即時算出視角錐畫面。 ‧ 投影機：接收主控電腦計算完成之影像，並將畫面以高解析度至少 1024*768(含)以上呈現，垂直掃瞄頻率至少 75(含)赫茲，明亮為 3000 流 明(含)以上。 ‧ 音響擴大機與喇叭。 ‧ 互動操控軟體：具備同步控制伺服器以確保各投影螢幕之視角及場景動 態物件保持同步畫面。 ‧ 多畫面同步播放軟體：六畫面同步播放功能，可播放全畫面2944*768 pixels 之 AVI 檔(每秒 25 格)，高畫質影像播放功能(單畫面解析度 1024 x 768 (含)以上)。 二、3D 立體虛擬胃鏡檢查系統：包含 ‧ 食道、胃、及十二指腸內壁黏膜之軟體圖像。 ‧ 胃鏡導覽系統。 ‧ 互動式胃鏡檢查系統。 ‧ 胃病病症模擬系統。 三、3D 立體虛擬大腸鏡檢查系統：包含 ‧ 大腸內壁內壁黏膜之軟體圖像。 ‧ 大腸鏡導覽系統。 ‧ 互動式大腸鏡檢查系統。 ‧ 大腸疾病病症模擬系統。 四、虛擬支氣管鏡檢查系統之三維控制器：包含 ‧ 虛擬支氣管鏡三維控制器及模擬病患之硬體模型。 ‧ 虛擬支氣管鏡教學效果之測試。 五、上肢虛擬骨骼與肌肉教學系統：包含 ‧ 上肢3D 立體骨骼與肌肉解剖圖。 ‧ 虛擬上肢肌肉收縮與伸張解剖圖：模擬每條上肢肌肉收縮與伸張時之情況。 ‧ 上肢骨骼與肌肉解剖教學檔案。 六、顏面虛擬骨骼與肌肉教學系統：包含 ‧ 顏面3D 立體骨骼與肌肉解剖圖。 ‧ 虛擬顏面肌肉收縮與伸張解剖圖：模擬每條顏面肌肉收縮與伸張時之情 況。 ‧ 顏面骨骼與肌肉解剖教學檔案。
執行進度內容
目前執行九十二年度産學合作計畫「虛擬實境在醫療教學上之應用」，主要 目的乃是運用180 度立體弧形銀幕教學系統，於 3D 立體虛擬胃鏡檢查系統與虛 擬大腸鏡檢查系統、虛擬支氣管鏡檢查系統之三維控制器、及上肢與顏面虛擬骨 骼與肌肉教學系統之應用，我們已有相當良好之結果。 一、180 度弧形立體銀幕硬體架構：包含 360 度組裝式環型銀幕桁架及立體特效 銀幕、投影機多功能堆疊架3 組、劇院式遮光布幕等設備、及主控電腦、畫面 產生器、投影機、音響擴大機與喇叭、互動操控軟體、多畫面同步播放軟體。 圖1-1：180 度弧型立體教學系統(本研究團隊所建構) - 1：包含 360 度組裝式環 型銀幕桁架及立體特效銀幕、投影機多功能堆疊架3 組、劇院式遮光布幕等設備。圖1-2：180 度弧型立體教學系統(本研究團隊所建構) -2 ：主控電腦、畫面產生器 投影機、音響擴大機與喇叭、互動操控軟體、多畫面同步播放軟體。
二、3D 立體虛擬胃鏡檢查系統：包含食道、胃、及十二指腸內壁黏膜之圖像、胃 鏡導覽系統、互動式胃鏡檢查系統、胃病病症模擬系統。
圖2-2：胃鏡導覽系統。
三、3D 立體虛擬大腸鏡檢查系統：包含大腸內壁內壁黏膜之圖像、大腸鏡導覽系 統、互動式大腸鏡檢查系統、大腸疾病病症模擬系統。
圖3-1：3D 立體虛擬大腸鏡檢查系統。
圖3-3：互動式大腸鏡檢查系統：利用虛擬實境設備擷取大腸不同部位照片。
四、虛擬支氣管鏡檢查系統之三維控制器：包含虛擬支氣管鏡三維控制器及模擬 病患之硬體模型、虛擬支氣管鏡教學效果之測試。 圖4-1：虛擬支氣管鏡三維控制器及模擬病患之硬體模型。 虛擬支氣管鏡教學效果之測試：本團隊發展之虛擬支氣管鏡教學效果測試顯示 操作真實支氣管鏡之技術能轉移到虛擬支氣管鏡：即支氣管鏡專家採作虛擬支 氣管鏡的技術要比初學者好〈初學者：沒有操作經驗之醫師。支氣管鏡專家：總 經驗超過300 例之專科醫師〉。 初學者(n=5) 支氣管鏡專家(n=5) p 總操作時間 碰壁次數 鏡頭模糊次數 口頭指導次數 技術指導次數 32.0 + 5.5 4.0 + 0.7 3.2 + 0.5 6.8 + 1.9 3.4 + 0.6 19.2 + 5.1 3.2 + 1.1 2.6 + 0.9 5.4 + 1.7 2.4 + 0.6 <0.05 NS NS NS <0.05 NS = not significant 表1：虛擬支氣管鏡教學效果之測試結果。
五、上肢虛擬骨骼與肌肉教學系統：包含上肢3D 立體骨骼與肌肉解剖圖、虛擬 上肢肌肉收縮與伸張解剖圖。
圖5-2：上肢 3D 立體骨骼與肌肉解剖圖。
六、顏面虛擬骨骼與肌肉教學系統：包含
圖6-1：頭部 3D 立體骨骼與肌肉解剖圖。
遭遇之因難與解決之途徑
對目前虛擬實境應用程式的缺點及困難處應是在於質感逼真程度上之差異 與模型任意變形上之運用，在歐美各國先例上，質感逼真程度之問題除大量使 用貼圖外，實無他法，也造成系統負荷過大，針對此一方法，我們則採用類似 技巧，根據距離遠近更換同一材質、不同解析度之貼圖，使用霧化效果，讓遠處 柔化與柔焦，或使用燈光分別明暗，以追求效能與質感之平衡點。至於模型任意 變形之問題，則考慮以事前腳本來解決，事先定義變形種類與數量，製作出不 同造型之模組，配合程式應用與事件之産生，呈現出不同之造型，並且使用內 插法來減緩變形跳動之不自然感。 此外，除了對目前虛擬實境應用程式的缺點及困難處應是在於質感逼真程 度上之差異與模型任意變形上之運用，解決之道乃採用類似技巧，根據距離遠 近更換同一材質、不同解析度之貼圖，使用霧化效果，讓遠處柔化與柔焦，或使 用燈光分別明暗，以追求效能與質感之平衡點。至於模型任意變形之問題，則考 慮以事前腳本來解決，事先定義變形種類與數量，製作出不同造型之模組，配 合程式應用與事件之産生，呈現出不同之造型，並且使用內插法來減緩變形跳 動之不自然感。再者，三種三維控制器之運用方式，設定各繁複控制鈕功能，可 能在同步問題上有延遲現像，解決之道在於，則必須使用串接方式，以萬像序 列匯流排來作串連接合，嘗試降低傳輸流量，以提高系統穩定性並提昇速度與 效能。重要參考文獻
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