基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的腹腔鏡操作培訓(xùn)系統(tǒng)的研制

羅偉，吳明燦

1.荊州市第一人民醫(yī)院 生物醫(yī)學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊州 434000；2.長(zhǎng)江大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，湖北 荊州434000

0 前言

隨著醫(yī)療事業(yè)的迅速發(fā)展，外科手術(shù)教學(xué)已成為一項(xiàng)重要的培訓(xùn)內(nèi)容。為了培養(yǎng)更多更好的醫(yī)學(xué)人才，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的仿真手術(shù)、虛擬內(nèi)窺鏡檢查和模擬介入手術(shù)等逐步成熟。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology,VRT）利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，通過(guò)多種傳感設(shè)備使受訓(xùn)者沉浸到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)者與該環(huán)境的自然交互[1-2]。本文闡述了基于虛擬技術(shù)的腹腔鏡模擬培訓(xùn)裝置的研制方法，該裝置可使受訓(xùn)者在虛擬的環(huán)境下接觸到各種逼真、復(fù)雜的三維虛擬人體組織，在仿真的環(huán)境下學(xué)習(xí)腹腔鏡手術(shù)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的醫(yī)學(xué)教學(xué)應(yīng)用

如今，醫(yī)學(xué)教學(xué)中已經(jīng)引入了虛擬手術(shù)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，例如美國(guó)波士頓力學(xué)研究中心利用偏振眼鏡觀看場(chǎng)景、虛擬手術(shù)器械模擬操作等。在國(guó)內(nèi)，大部分的研究工作集中在對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的三維重建及其可視化等基礎(chǔ)技術(shù)方面，尤其在基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的醫(yī)學(xué)圖像三維可視化算法研究領(lǐng)域取得了較大的成果。華中科技大學(xué)于2000年在鐘世鎮(zhèn)教授的帶領(lǐng)下構(gòu)建“虛擬人”，在人體器官虛擬建模方面取得了很大進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)學(xué)模型360°旋轉(zhuǎn)和任意倍數(shù)的縮放，還可以自由觀察模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等[3-4]。

本研究將我院圖片存檔與通訊系統(tǒng)（PACS）中的醫(yī)學(xué)影像圖片進(jìn)行三維重建，改變醫(yī)學(xué)模型不能全方位旋轉(zhuǎn)和縮放的問(wèn)題，再將三維模型傳送到虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)教學(xué)軟件中，使得醫(yī)師可以從不同的角度對(duì)手術(shù)對(duì)象進(jìn)行觀察，同時(shí)該模型還具備各種生理屬性，能夠讓受訓(xùn)者有身臨其境的感受。

2 虛擬腹腔鏡培訓(xùn)系統(tǒng)的研制

參考電子腔鏡手術(shù)的器械實(shí)物模型，利用計(jì)算機(jī)圖像三維重建算法和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。首先，在計(jì)算機(jī)軟件中構(gòu)建虛擬人體腹腔的立體模型，訓(xùn)練操作者對(duì)腹腔鏡的基本操作技術(shù)；其次，為了使訓(xùn)練裝置更接近臨床手術(shù)實(shí)際情況，制作了手術(shù)用人體器官模型，如肝臟模型、闌尾切除模型、腹腔外觀模型等。操作者可以在這些模型上完成不同手術(shù)操作，掌握相應(yīng)技能。

2.1 模型的設(shè)計(jì)與制作

模型主要以特制塑料框架作為內(nèi)部支撐，用高仿人體硅膠覆蓋框體表面作為人體皮膚。模擬人體腹腔的外觀，見(jiàn)圖1。在腹腔內(nèi)放置體感應(yīng)器，利用Kinect體感裝置，進(jìn)行姿態(tài)動(dòng)作紅外模擬定位，同時(shí)利用力反饋儀將手術(shù)器械連接在一起，對(duì)80 cm×80 cm范圍內(nèi)的物體移動(dòng)情況進(jìn)行三維坐標(biāo)跟蹤。同時(shí)，在模擬腹腔中放置LED光源作為腹腔鏡的冷光源系統(tǒng)，可照射不同的手術(shù)野。體內(nèi)安裝1000萬(wàn)像素微型攝像機(jī)并與計(jì)算機(jī)的視頻采集卡相連，通過(guò)視頻采集軟件將模擬腹腔內(nèi)的情況以影像的形式展現(xiàn)在電視屏幕上。受訓(xùn)者通過(guò)觀看屏幕圖像、利用預(yù)力反饋腔鏡手術(shù)模擬器械完成雙手互動(dòng)手術(shù)技能的訓(xùn)練及操作。訓(xùn)練實(shí)況，見(jiàn)圖2。

圖1 硅膠人體腹腔模型外觀示意圖

圖2 受訓(xùn)者練習(xí)虛擬腹腔鏡手術(shù)

2.2 三維建模

2.2.1 虛擬腹腔構(gòu)建

通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，重建人體腹腔模型。利用PACS中的CT、MRI數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維重建處理，形成虛擬腹腔模型，并將其導(dǎo)入虛擬手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.2.2 手術(shù)模型構(gòu)建

按照腹腔鏡手術(shù)的要求，在虛擬手術(shù)系統(tǒng)中重建了手術(shù)器械的三維模型，并通過(guò)貼圖形成逼真的器械模型。系統(tǒng)采用五維力反饋設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，聯(lián)動(dòng)操作手柄與系統(tǒng)控制的模型標(biāo)志位。受訓(xùn)者雙手控制器械做腹腔鏡手術(shù)時(shí)，可實(shí)時(shí)觀察顯示屏上的虛擬手術(shù)場(chǎng)景變化，還可感受到真實(shí)的手術(shù)手感。虛擬腹腔鏡操作界面，見(jiàn)圖3。

圖3 虛擬腹腔鏡操作界面

2.3 常見(jiàn)手術(shù)考核評(píng)估模型

腹腔鏡外科手術(shù)不同于傳統(tǒng)外科手術(shù)，要通過(guò)特殊器械經(jīng)腹壁孔道間接地處理病灶，術(shù)者必須通過(guò)觀看二維的顯示屏而不能只憑借手的直接感知來(lái)指導(dǎo)操作。這就要求術(shù)者要通過(guò)適應(yīng)屏幕及熟練地運(yùn)用腹腔鏡手術(shù)器械來(lái)完成傳統(tǒng)手術(shù)中用手來(lái)完成的各種操作。通過(guò)設(shè)計(jì)一定的操作模型來(lái)規(guī)范各項(xiàng)操作并可對(duì)操作進(jìn)行評(píng)估，如囊腫手術(shù)模型中，若結(jié)扎闌尾根部不徹底，則操作中會(huì)有水流出，表明手術(shù)不是特別成功。常見(jiàn)虛擬腹腔鏡技術(shù)操作模型的設(shè)計(jì)，見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)虛擬腹腔鏡技術(shù)操作模型的設(shè)計(jì)

2.4 虛擬腹腔鏡操作系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

腹腔鏡器械多為直線型，這使得醫(yī)師在操作時(shí)會(huì)感覺(jué)到手不能彎曲。而諸如打結(jié)等操作需要有不斷彎曲的動(dòng)作，傳統(tǒng)的腹腔鏡手術(shù)操作方法不能滿足這些操作需求。而在虛擬手術(shù)的操作窗口界面上，對(duì)于模擬的人體器官操作者可以任意地改變操作視野和觀察角度，對(duì)于一些精細(xì)部位還可以通過(guò)增強(qiáng)圖像顯示來(lái)進(jìn)行放大觀察。

3 結(jié)果

3.1 培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)化

通過(guò)運(yùn)用虛擬腹腔鏡操作系統(tǒng)，教師授課可采用桌面電腦工作站進(jìn)行互動(dòng)教學(xué)；手術(shù)預(yù)演、遠(yuǎn)程手術(shù)教學(xué)可采用醫(yī)學(xué)專(zhuān)家會(huì)議廳進(jìn)行多媒體演示，操作起來(lái)一目了然，同時(shí)還增加了與專(zhuān)家互動(dòng)的機(jī)會(huì)。此外，該系統(tǒng)還完善地提供了抓取、夾持、切割、注射、縫合等多種手術(shù)交互訓(xùn)練方式，能夠在手術(shù)區(qū)域執(zhí)行沖洗和抽吸的功能；實(shí)現(xiàn)了動(dòng)脈血管的跳動(dòng)、流血、夾持止血過(guò)程模擬及煙霧、蒸汽等特效仿真。

該系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)云技術(shù)可對(duì)大量的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算，縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)滿足了大量受訓(xùn)人員使用軟件系統(tǒng)的需求，并且解決了培訓(xùn)地點(diǎn)和時(shí)間的差異問(wèn)題[5-6]。手術(shù)培訓(xùn)教師在培訓(xùn)時(shí)可對(duì)所在班級(jí)的受訓(xùn)人員進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以在同一時(shí)間進(jìn)行屏幕分屏顯示，通過(guò)任何一個(gè)操作窗口都可看到受訓(xùn)人員的實(shí)際操作情況，還能通過(guò)語(yǔ)音系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)操作進(jìn)行解說(shuō)和提示。同時(shí)，受訓(xùn)人員每次在模擬器上的操作情況和成績(jī)都被記錄在系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于教師分析和查閱。培訓(xùn)系統(tǒng)還集成了一套多媒體手術(shù)考試系統(tǒng)，方便教師考評(píng)受訓(xùn)人員的培訓(xùn)效果。

3.2 培訓(xùn)效果

選擇2009～2011年參加培訓(xùn)的醫(yī)師，隨機(jī)分為兩組，每組各60名。實(shí)驗(yàn)組采用虛擬手術(shù)操作系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，對(duì)照組使用傳統(tǒng)方法進(jìn)行教學(xué)。兩組操作考核成績(jī)結(jié)果，見(jiàn)表2。兩組考核成績(jī)均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P<0.05），表明實(shí)驗(yàn)組的培訓(xùn)效果優(yōu)于對(duì)照組。

表2 2009～2011年虛擬操作系統(tǒng)醫(yī)師平均成績(jī)對(duì)比表（分）

4 討論

虛擬手術(shù)操作可以使醫(yī)生完全沉浸在虛擬手術(shù)場(chǎng)景中，通過(guò)視、聽(tīng)、觸覺(jué)等多種感知學(xué)習(xí)和掌握各種實(shí)際操作技術(shù)[7-8]。腹腔鏡訓(xùn)練系統(tǒng)具有零風(fēng)險(xiǎn)、多重復(fù)性、自動(dòng)指導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，可高效提高學(xué)習(xí)者的手術(shù)及其他操作的技能水平。此外，該系統(tǒng)還可以對(duì)學(xué)生做出綜合評(píng)價(jià)，對(duì)受訓(xùn)醫(yī)生進(jìn)行評(píng)價(jià)考核，為醫(yī)學(xué)手術(shù)培訓(xùn)提供教學(xué)平臺(tái)，完善了考核培訓(xùn)者和受訓(xùn)者的一體化綜合評(píng)估管理，具有良好的應(yīng)用價(jià)值，值得在臨床教學(xué)中推廣。

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