在儿科疾病中，先天性心脏病（先心病） 是小儿死亡的最主要原因之一。心脏是一个结构复杂、快速活动的立体器官，先心病为一种或多种畸形在三维空间上的组合，其心脏外形及其组成结构的空间位置关系在诊断中往往起重要作用。由于二维超声心动图只能提供二维图像信息，检查者必须对一系列二维图像“在头脑中进行三维图像重现”而作出诊断，不能满足先心病三维空间精确诊断的要求。因此迫切需要一种有效的超声图像处理技术，以直观、逼真的方式提供给临床医师，以辅助他们对医学对象进行分析，提高临床诊断和治疗的准确性和科学性。
先心病三维超声诊断及其局限性
近年来， 随着计算机科学计算可视化( visualization in scientific computing) 面绘制技术(surface rendering technique) 和体绘制技术(volume rendering technique) 的发展,心脏三维超声计算机重建技术获得突破性进展,三维基础上的重建三维超声心动图对先天性心脏病定量定性的诊断能力大大提高,明显优于二维超声心动图 。目前三维超声心动图的显示方法为对三维数据集进行剖视，由于复杂型先心病心内畸形的多样性，相互间空间关系复杂，不易理解。而且，检查者要寻找一个理想的剖视面耗时冗长，即使在较容易的离体先心病心脏标本三维超声重建剖视研究中。Vogel 等在三维超声信息获取及剖视重建时间更长，总耗时达10～60 min ，而其中用于寻找一个恰当剖视面的耗时占7～52 min。在活体复杂型先心病的三维超声心动图研究需2～3 个h。实时三维超声虽然检查时间大为缩短，但在Deng 等的回顾性研究发现，理想剖视面所提供的有用信息仅占总采样数据的50 ％ ，获取的二维血流图像通过计算机运算转换成数字图像后会产生干扰噪声。国内在三维超声信息采集、计算机方法学及复杂型先心病三维超声剖视面研究方面进行了探索 ，但在临床应用中仍然耗时较长。因此，如何建立理想的显示心内结构的方法，快速有效地显示各种心内畸形并明确其相互间的空间关系，已成为三维超声心动图诊断中的一大难题，虚拟现实技术可望解决以上问题 。
虚拟现实技术特点及系统组成
虚拟现实（virtual reality） 是一种可以创建和体验虚拟环境（virtual environment） 的计算机系统，集先进的计算机技术、传感与测量技术、仿真技术、微电子技术于一体，是一门具有多媒体交互共享模式的综合性极强的高新信息技术。虚拟环境将用户和计算机结合成一个整体，用户置身于模仿真实空间而创建的三维电子环境中，产生身临其境感觉的交互式视景仿真。
虚拟现实是计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机等结合的产物。虚拟现实系统的基本组成有效果产生器（完成人与虚拟环境交互的硬件接口装置） 、实景仿真器（系统的核心部分，由计算机软件系统、软件开发工具等组成） 、应用系统（面向具体问题的软件部分，描述仿真的具体内容） 、几何构造系统（提供描述仿真对象物理特性的信息） 。虚拟现实硬件系统包括高性能计算机、虚拟现实发生器、声音合成器、3D 声音定域器、语音识别器、跟踪器、触觉和动觉系统等。虚拟现实软件系统一般包括虚拟现实环境构造程序和有关数据库等，构造程序主要用于设计虚拟境界的景和物，虚拟现实工具包可将三维物体与虚拟境界组合起来，并赋予某些特性，其中的程序库和模块化方法可以开发各种虚拟现实程序。
心内三维超声虚拟显示
将计算机三维重建技术和科学计算可视化技术应用于虚拟心脏模型构造，可大大提高其准确性和直观性。首先对人体心脏超声图像采样，建立心脏体数据集。将体数据转换处理，使之具备良好的数值分布特征，提高对比度。由于超声图像往往有较大的噪声输出，需进行滤波等处理以提高信噪比。通过插值、数据分类，进行心脏三维超声重建；利用模型整体自由度获得粗略的形状特征，并利用局部变形参数重建形状细节，使之从形态、结构、功能等方面逼真地再现人体心脏的活动过程，并包含图像序列中丰富的隐含信息。
目前建立的虚拟心脏超声图像可观察6 个主要结构装置： ①左心室顶点； ②三尖瓣的中央部分； ③二尖瓣的中央部分； ④主动脉瓣的中央部分； ⑤二尖瓣装置前缘部分； ⑥二尖瓣装置后缘部分。操作者在三维重建过程中应在三维超声图像及相关虚拟心脏模型上标明3 个主要结构，如左室顶点、二尖瓣中央部分、三尖瓣中央部分，并根据三维心脏超声数据集进行校准。
当虚拟心脏空间上的地图信息与实际所测量的数据一致后，通过虚拟环境可以实现在心脏内部的“漫游”，并从多角度观察心脏的各个部位。操作者可进入“心脏内”，选择任意希望观察的位置和角度（从理论上说观察点可以无限多） ，或根据已建立的心脏三维超声剖视诊断规范选择剖视面，从不同方位了解心脏各个结构的形态、大小、位置、走向、连接关系、立体方位与活动状况，对功能进行评估、判断和测量。如操作者可在“左心室内”仰视，对二尖瓣的活动情况仔细观察，当观察点切换到右心室腔后，操作者即可“站在”新观察点，看到部分的肺动脉瓣活动。
三维超声虚拟现实技术在先心病中的应用
1. 虚拟现实技术在先心病诊断中的应用
1996 年Lee应用虚拟现实技术首次为胎儿超声心动图研究提供了交互式的胎儿心脏三维模型。1999 年，Bruining等应用该技术实现了在虚拟的“心脏内”有限地显示二尖瓣、肺动脉瓣等部分心脏结构，次年又采用TiDAS 软件工具包（toolkit for the interactive design of animation and simulation） ，应用虚拟现实技术计算机超声成像，使操作者在“心脏内”对部分先心病进行了诊断、分析和评价： ①先天性室间隔缺损／ 先天性房间隔缺损，观察缺损的位置、大小和形状，缺损的边缘部位性质，测量其长度、面积，判断缺损部位的血液分流方向； ②先心病左心室血流动力学改变，确定室壁运动异常的部位，判断室壁运动异常的程度； ③动脉瘤，观察动脉瘤的位置和大小，判断有无运动异常； ④心房和（或） 心室肥大，判断心房和（或）心室肥大的部位和程度。使用虚拟现实技术后，计算机可在采样获得三维数据集后即开始进行心脏结构的三维重建，并迅速进行虚拟显示，实时访问病灶，提供患者的实时信息，使操作者在短时间内作出诊断。目前虚拟现实技术在先心病的临床应用属刚起步，国内外尚未见对婴儿复杂型先天畸形心脏进行全心整体三维超声显示并在虚拟现实空间进行诊断的报道。
2. 虚拟现实在先心病手术模拟、医疗教学中的应用虚拟现实技术的开发应用，使心外科医师在虚拟现实模拟环境中、在计算机辅助设计（CAD） 的协助下，于先心病患儿实施复杂的外科手术之前，可以先在虚拟人体上进行练习和研究。1998 年，Yambe 等已成功地将该技术应用于经皮球囊冠脉扩张术（PTCA） ，实现了PTCA 术的医师培训和术前模拟。通过虚拟手术模拟器使训练者处于计算机产生的三维虚拟手术环境中，并使用虚拟的手术器械进行手术操作训练，实现手术模拟、手术导航（navigator） 、手术定位，对患者进行病理分析，探索理想的手术方案，选择合适的手术途径，提高手术过程的可靠性和安全性。
三维超声虚拟现实为教学人员提供了一个医学对象可视化教学平台。通过显示心脏内部的三维解剖结构、功能模拟演示，教学人员可开展先心病教学，培训刚从事心脏超声工作的医务人员。Weidenbach 等曾将一批医学院学生分为两组，在为期1 d 的心脏超声医疗教学中，一组采用传统的教学方式，由教师结合课本和图像讲解心脏超声的基础知识，另一组将心脏三维超声虚拟现实技术应用于模拟训练。两组比较，后者能更快、更准确地掌握心脏超声的标准切面观。
3. 虚拟现实在远程医疗中的应用前景
随着计算机网络的发展，虚拟现实技术将与远程医疗结合。利用计算机网络提供远程数据通信，可把心脏三维超声虚拟现实信息传输给异地的机器人或医师，实现医学数据库资源共享。这种虚拟的远程医疗环境可以提供不同地点的多位医学专家相互合作，对先心病实施诊疗，对手术过程进行计划和预演，甚至对患者进行实际的手术治疗。
经重建后的虚拟三维超声心脏图像可以使操作者在患者的“心脏内”从任意角度观察，摆脱目前检查方法的局限性，因此，虚拟现实是婴幼儿先心病无创伤性三维诊断的重要发展趋势。虽然目前虚拟现实技术在心脏超声的研究和应用尚处于初期，技术上存在的许多问题有待解决，但三维虚拟现实在心脏超声领域已初步展现其潜在优势和良好的应用前景，必将推动心脏超声医学的发展。