支持力反饋的個(gè)性化膝關(guān)節(jié)置換虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)的研究與構(gòu)建

王春娟 劉 非 張維杰 馬建兵 姚舒馨 肖 琳 程詠華 徐顯輝 連 芩 王 琦 張明嬌

1(西安交通大學(xué)蘇州研究院，江蘇 蘇州 215021)2(上海昕健醫(yī)療技術(shù)有限公司，上海 201203)3(西安交通大學(xué)附屬紅會(huì)醫(yī)院關(guān)節(jié)外科膝關(guān)節(jié)病區(qū)，西安 710054)4(蘇州昕健醫(yī)療技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215021)5(西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

引言

全球膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty, TKA)的需求呈井噴式增長。據(jù)Kurtz等對(duì)歐美17個(gè)國家的統(tǒng)計(jì)顯示，每年大約有110萬人實(shí)施全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，并且手術(shù)案例數(shù)以11%的速度逐年遞增[1]。以醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)發(fā)達(dá)的美國為例，每年大約行50萬例手術(shù)，預(yù)計(jì)到2030年將增長673%[2]。中國尚未有明確的統(tǒng)計(jì)結(jié)果報(bào)道，行業(yè)估計(jì)每年的關(guān)節(jié)置換病例數(shù)量在20萬左右[3]。然而現(xiàn)階段經(jīng)驗(yàn)豐富的手術(shù)醫(yī)師相對(duì)較少，并且與“十三五”計(jì)劃提出“到2020年規(guī)范化培訓(xùn)50萬名醫(yī)師”的宏大發(fā)展目標(biāo)有一定距離。

傳統(tǒng)的“學(xué)徒制，一帶多”的關(guān)節(jié)外科醫(yī)師培養(yǎng)模式無法滿足大規(guī)模的培訓(xùn)需求，因?yàn)橹饕氖中g(shù)訓(xùn)練方式以尸體標(biāo)本、活體動(dòng)物、人造模型或者實(shí)際病人為操作對(duì)象。盡管尸體標(biāo)本是最理想的訓(xùn)練工具，但因其資源匱乏且價(jià)格極其昂貴，用到的實(shí)際訓(xùn)練甚少；與人類組織結(jié)構(gòu)較接近的活體動(dòng)物不失為一種有效的替代品，但常受到社會(huì)的倫理譴責(zé)；而另一種人造假體訓(xùn)練模型大幅度降低生化物理的真實(shí)性，并且因不能重復(fù)使用導(dǎo)致資源極度浪費(fèi)。

虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)為解決上述問題提供一種思路，盡管Stava早在1996年就已經(jīng)提出三代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)框架[4]，但是研究機(jī)構(gòu)和市場都集中于腹部軟組織的切割變形仿真[5-7]，以及微創(chuàng)術(shù)式的關(guān)節(jié)鏡手術(shù)仿真[8-9]，例如LapSim、ArthroS等；而對(duì)于開放式骨硬組織手術(shù)的仿真仍處于初級(jí)研究階段，常涉及組織建模、碰撞檢測和力反饋模型等3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。目前，組織建模主要包括骨組織的幾何建模和物理建模，流行的幾何建模方法有：基于醫(yī)學(xué)影像的三維重建[10]、通過三維掃描設(shè)備逆向重建[11]或根據(jù)外輪廓手工創(chuàng)建[12],這些建模方式都只包含組織的表面信息，王黨校等提出面向牙齒的體素模型建立方法表示內(nèi)部屬性[11,13]，Morris 等采用表面模型和內(nèi)部體模型混合的方式建立組織模型[14-15]；碰撞檢測對(duì)器械與組織的空間位置關(guān)系作出判斷和響應(yīng)，層次包圍盒法因構(gòu)造簡單、相交復(fù)雜性低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[16-17]，林艷萍等[10,18-19]采用在刀刃方向均勻布置多個(gè)碰撞檢測點(diǎn)，建立AABB層次包圍盒樹模型，避免了器械穿透骨組織；早期經(jīng)典手術(shù)仿真系統(tǒng)應(yīng)用的力觸覺模型多為基于懲罰或約束的力觸覺渲染模型；現(xiàn)階段基于金屬磨削理論的力反饋模型研究較多，Arbabtafti等提出基于能量的概念，認(rèn)為每切削單位骨組織消耗定量的能量，以此計(jì)算骨骼磨削的反饋力[20-21]；Chan等根據(jù)正交切削和磨粒磨損的機(jī)械原理建立顳骨手術(shù)的力反饋模型[22]；蔡明達(dá)等利用多個(gè)樣點(diǎn)精確建立了手術(shù)器械觸覺模型，模擬鋸齒切削骨組織的過程[23]。

從仿真系統(tǒng)的整體角度來看，關(guān)于膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)仿真系統(tǒng)的研究寥寥無幾，文獻(xiàn)記載僅Pinto等對(duì)此方面有研究，但未能實(shí)現(xiàn)鉆孔、截骨等具體化手術(shù)操作，也不具備真實(shí)的虛擬手術(shù)器械和假體模型[24]。本研究以個(gè)性化膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)為研究對(duì)象，采用幾何模型和物理模型混合建模的方式建立膝關(guān)節(jié)組織和手術(shù)器械的虛擬模型，并創(chuàng)建組織和器械間的AABB層次包圍盒碰撞檢測模型，模擬組織材料的切削去除，基于單點(diǎn)約束的力觸覺渲染方法仿真電鉆鉆孔和擺鋸截骨的兩種關(guān)鍵手術(shù)操作。

1 方法

1.1 幾何建模

1.1.1膝關(guān)節(jié)組織模型

采用CT掃描病患的髖、膝、踝3段關(guān)節(jié)，將獲得的連續(xù)斷層掃描數(shù)據(jù)以DICOM文件格式導(dǎo)入醫(yī)學(xué)影像重構(gòu)軟件系統(tǒng)Arigin 3D Pro V3.0(上海昕健，中國)，分別從橫斷面、冠狀面和矢狀面3個(gè)正交解剖斷面觀察影像信息，對(duì)CT圖形進(jìn)行濾波降噪等預(yù)處理，通過閾值分割、蒙版編輯、手動(dòng)填充等圖像編輯處理工具提取膝關(guān)節(jié)骨性組織的輪廓區(qū)域，基于二維圖像輪廓面繪制的移動(dòng)立方體算法重建膝關(guān)節(jié)的三維數(shù)字模型，并以STL文件格式保存輸出。

1.1.2虛擬手術(shù)器械模型

常用的虛擬手術(shù)器械幾何建模方式包括：逆向掃描原型建模、正向CAD參數(shù)化建模。由于逆向技術(shù)使用的激光掃描設(shè)備較為昂貴，建模成本偏高，所以研究采用合作醫(yī)院提供的游標(biāo)卡尺等精密計(jì)量儀器測量手術(shù)器械實(shí)物，獲取關(guān)鍵特征尺寸參數(shù)。在正向三維建模軟件Unigraphics NX8.0中，根據(jù)測量的尺寸數(shù)據(jù)，對(duì)虛擬手術(shù)器械進(jìn)行三維數(shù)字化建模,如圖1所示。

圖1 手術(shù)器械幾何模型。(a)醫(yī)用電鉆；(b)往復(fù)擺鋸Fig.1 Geometric model of instrument. (a) Medical Drill; (b)Reciprocating saw

1.1.3膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)規(guī)劃

決定醫(yī)用骨鉆鉆取骨組織的定位孔成功的關(guān)鍵因素為孔的軸向和深度，而對(duì)于往復(fù)擺鋸切割骨組織，重要的是截骨面的位置和法向。研究應(yīng)用醫(yī)學(xué)3D手術(shù)規(guī)劃軟件系統(tǒng)Arigin 3D Surgical Templating System(上海昕健，中國),根據(jù)個(gè)性化導(dǎo)航模板輔助膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)實(shí)施方式，對(duì)膝關(guān)節(jié)骨組織的鉆孔軸線和切割平面進(jìn)行路徑規(guī)劃。同時(shí)，將規(guī)劃路徑周圍的骨組織分離出來，形成獨(dú)立的骨組織模型，如圖2所示，用于后續(xù)局部物理模型的生成。

圖2 膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)規(guī)劃。(a)路徑規(guī)劃；(b)可視化切割Fig.2 TKA surgical planning. (a) Path plan; (b) Visual cutting

1.2 物理建模

1.2.1三角網(wǎng)格體素化

三角網(wǎng)格幾何模型只構(gòu)建了虛擬對(duì)象的表面形狀，缺少物體內(nèi)部材質(zhì)屬性信息，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)切削的手術(shù)過程模擬。而體素模型能夠表示虛擬對(duì)象內(nèi)部空間，它以體素(類似于二維空間的最小單位—像素)為基本數(shù)據(jù)單元，由許多個(gè)體素依次有序堆積起來共同組成物體的形狀。

研究通過體素化(Voxelization)算法構(gòu)建虛擬對(duì)象的體素模型。體素化是將連續(xù)的三角曲面網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)換為最接近該對(duì)象的體素表示形式，產(chǎn)生體數(shù)據(jù)集并被二值化處理(即各個(gè)體素的值為1或者0，分別表示對(duì)象體素和非對(duì)象體素)得到對(duì)象的體素模型。三角網(wǎng)格體素化算法分為網(wǎng)格模型預(yù)處理、體素空間建立和內(nèi)部體素填充三部分。

1)網(wǎng)格模型預(yù)處理。搜索STL三角面片網(wǎng)格模型的頂點(diǎn)集合中的最大值頂點(diǎn)Pmax=(xmax,ymax,zmax)和最小值頂點(diǎn)Pmin=(xmin,ymin,zmin)，以這兩點(diǎn)為對(duì)角線頂點(diǎn)構(gòu)造網(wǎng)格模型的軸對(duì)其包圍盒。包圍盒沿X、Y、Z軸的長度分別為：Lx=|xmax-xmin|,Ly=|ymax-ymin|,Lz=|zmax-zmin|。將包圍盒沿X、Y、Z軸方向的各邊根據(jù)分辨率Rx×Ry×Rz進(jìn)行立方體分解，總共獲得nx×ny×nz個(gè)立方體，立方體單元尺寸為lx×ly×lz，即

(1)

2)體素空間建立。以最小值頂點(diǎn)Pmin為原點(diǎn)，以向量I=(lx,0,0)、I=(lx,0,0)、K=(0,0,lz)與歐氏空間的X、Y、Z方向一致為基向量，構(gòu)造一個(gè)標(biāo)度為整數(shù)的三維直角坐標(biāo)系，稱為體素坐標(biāo)系。坐標(biāo)系構(gòu)成的空間稱為體素空間3，體素空間是一個(gè)三維離散空間，是三維歐氏空間3的子集(3?3)。用(x,y,z)表示歐氏空間的坐標(biāo)，用(i,j,k)表示體素空間的坐標(biāo)。體素空間和歐氏空間之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換滿足如下關(guān)系，有

圖3 體素填充算法流程Fig.3 Flow chart of voxel filling algorithm

(2)

3)內(nèi)部體素填充。采用三維種子填充算法填充網(wǎng)格內(nèi)部體素，分別搜索與種子體素以面連接的鄰接體素，通過循環(huán)判斷避免體素被重復(fù)填充。填充算法的流程如圖3所示。

步驟1，從體素堆棧中彈出種子體素，作為當(dāng)前要填充的體素。

步驟2，判斷當(dāng)前體素是否在包圍盒內(nèi)，若不在包圍盒內(nèi)，則退出填充流程，重新選取合適的種子體素。

步驟3，在體素空間中，以1個(gè)體素為步長單位，分別沿X、Y、Z正負(fù)6個(gè)坐標(biāo)軸方向，搜索鄰接的體素。

步驟4，判斷鄰接體素是否在包圍盒內(nèi)，若不在包圍盒內(nèi)，則鄰接體素的標(biāo)志位設(shè)置為-1，并返回步驟3。

步驟5，判斷鄰接體素是否被填充，若已經(jīng)被填充，則返回步驟3。

步驟6，判斷鄰接體素與當(dāng)前體素之間的連線是否與網(wǎng)格模型發(fā)生相交，若未相交，則鄰接體素標(biāo)志位設(shè)為0，即表示該體素在網(wǎng)格模型內(nèi)部，為內(nèi)部體素；若相交，則鄰接體素標(biāo)志位設(shè)為1，即表示該體素在網(wǎng)格模型邊界上，為邊界體素。

步驟7，當(dāng)前體素的6-鄰域搜索填充完后，判斷體素堆棧是否為空，若為空，則退出填充流程。

步驟8，彈出堆棧末尾的體素，并將其設(shè)為要填充的當(dāng)前體素，再次轉(zhuǎn)到步驟2。循環(huán)操作，直到堆棧中的體素為空，結(jié)束。

體素模型的復(fù)雜度和剖分細(xì)度直接影響虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)交互的實(shí)時(shí)性，如果剖分的體素粒度過大，在模擬切割去除體素時(shí)反饋力會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的臺(tái)階感，導(dǎo)致手術(shù)仿真的精確性和力觸覺手感下降；隨著體素剖分粒度的減小，生成的體素?cái)?shù)量增加，仿真計(jì)算復(fù)雜度加大，難以滿足交互的實(shí)時(shí)性。

1.2.2膝關(guān)節(jié)組織物理模型

為了較好地平衡精確性和實(shí)時(shí)性之間的矛盾，通過計(jì)算和大量的比對(duì)實(shí)驗(yàn)，研究選擇單元粒度為0.5 mm的體素建立手術(shù)規(guī)劃路徑分離部分骨組織的體素模型，形成一系列微小的骨組織單元?；阢@孔軸線周圍骨組織的三角網(wǎng)格模型體素化剖分，得到分辨率為40×38×15、總共5 489個(gè)體素單元的鉆孔軸線體素模型，如圖4(a)所示。利用同樣的方法，構(gòu)建截骨平面周圍骨組織的體素模型，如圖4(b)所示。

圖4 膝關(guān)節(jié)組織物理模型。(a)鉆孔；(b)截骨Fig.4 Knee joint physical model. (a) Drilling; (b) Sawing

1.2.3虛擬手術(shù)器械物理模型

建立虛擬手術(shù)器械的物理模型，用于模擬手術(shù)操作過程中，切削去除膝關(guān)節(jié)組織材料。根據(jù)手術(shù)器械工作方式的不同，利用三角網(wǎng)格體素化算法分別建立鉆頭和鋸片的體素模型。為了減少計(jì)算量，研究選用單元粒度為0.5 mm的體素，并只建立手術(shù)器械作用部位的體素模型，如圖5所示。

圖5 手術(shù)器械物理模型。(a)鉆頭；(b)鋸片F(xiàn)ig.5 Physical model of instrument. (a) Drill; (b) Blade

1.3 力反饋渲染

1.3.1力觸覺模型

力觸覺接口(haptic interface,HI)是力反饋設(shè)備中作用部位在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中的化身代表。Phantom力反饋設(shè)備用單個(gè)代理點(diǎn)表示終端執(zhí)行器在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中的化身。用戶操作設(shè)備手柄控制力觸覺渲染接口的6自由度空間位置姿態(tài)，通過坐標(biāo)映射得到虛擬環(huán)境中代理點(diǎn)的同步位姿，代理點(diǎn)與虛擬模型之間進(jìn)行碰撞檢測和反饋力計(jì)算。為了構(gòu)建高仿真度的手術(shù)器械力觸覺模型，研究將代理點(diǎn)計(jì)算設(shè)置到手術(shù)器械模型的尖端作用部位，如圖6所示，例如醫(yī)用骨鉆的切削刃頭，往復(fù)擺鋸的鋸齒，利用該尖端模擬與虛擬解剖組織的手術(shù)交互。

圖6 虛擬手術(shù)器械力觸覺模型Fig.6 Force tactile model of the virtual instrument

1.3.2碰撞檢測

圖7 膝關(guān)節(jié)組織的碰撞檢測模型Fig.7 Collision detection model of the knee

虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)中需要實(shí)時(shí)檢測虛擬手術(shù)器械是否與膝關(guān)節(jié)組織模型發(fā)生碰撞，只有發(fā)生碰撞后，才有必要實(shí)施后續(xù)反饋力的計(jì)算和組織的切割變形。針對(duì)虛擬手術(shù)環(huán)境的復(fù)雜性，研究采用自頂向下的方式構(gòu)建膝關(guān)節(jié)組織的軸對(duì)齊包圍盒(aligned axis bounding Box，AABB)層次樹,如圖7所示。基于力觸覺接口代理點(diǎn)的空間位置及其作用方向的延伸點(diǎn)，構(gòu)建虛擬手術(shù)器械的包圍盒。通過遍歷解剖組織包圍盒層次樹測試碰撞相交，記錄相交的位置法向信息。

1.3.3組織的切割形變

組織的切割形變是去除手術(shù)器械模型與關(guān)節(jié)組織交互碰撞部分的體素模型，課題用體素模型間相交時(shí)，空間位置重合的方法模擬組織的切割形變，過程如圖8所示，將手術(shù)器械的體素模型由離散坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為連續(xù)坐標(biāo)表示；判斷手術(shù)器械每個(gè)體素單元的連續(xù)坐標(biāo)位置是否在關(guān)節(jié)組織模型的包圍盒內(nèi)，若不在，說明手術(shù)器械參與檢測的部分未與關(guān)節(jié)組織發(fā)生相交，若在的話，需要將手術(shù)器械體素單元的連續(xù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)組織體素空間下的離散坐標(biāo)，也就是二者相交部分的體素單元，將其存入關(guān)節(jié)組織的體素刪除隊(duì)列中；遍歷檢測完成后，從關(guān)節(jié)組織的體素模型中刪除相交的體素，并更新該體素模型。

圖8 組織切割形變的平面示意。(a)組織體素模型；(b)器械體素模型；(c)切割形變過程Fig.8 The plan sketch of cutting deformation of tissue. (a) Voxel model of tissue; (b) Voxel model of instrument; (c) the process of cutting deformation

1.3.4接觸的反饋力

接觸反饋力的計(jì)算采用經(jīng)典的單點(diǎn)約束力覺渲染方法。在考慮虛擬組織表面約束的情況下，用代理點(diǎn)proxy表示力觸覺接口的理想位置，用另一點(diǎn)god-object表示遵從實(shí)際表面約束后的位置。當(dāng)proxy與虛擬物體沒有發(fā)生碰撞接觸時(shí)，god-object與proxy的位置坐標(biāo)重合，如圖9(a)所示；而當(dāng)proxy的運(yùn)動(dòng)軌跡穿過虛擬物體表面發(fā)生碰撞時(shí)，god-object的位置被表示為約束表面到proxy距離最短的點(diǎn)，如圖9(b)所示?；诤硕捎?jì)算接觸反饋力的大小，有

F=k·Δx

(3)

圖9 力觸覺渲染示意。(a)未發(fā)生碰撞；(b)發(fā)生碰撞Fig.9 Diagram of force rendering. (a) No collision occurred; (b) Collision occurred

式中，k為虛擬解剖組織的剛度參數(shù)，Δx為手術(shù)器械刺入組織的深度距離。

1.3.5手術(shù)器械的振動(dòng)力

在虛擬手術(shù)器械模型上添加正弦形式的連續(xù)力信號(hào)，用于模擬真實(shí)電動(dòng)式手術(shù)器械的振動(dòng)效果。

F′=Asin(2πft)

(4)

式中，A為振動(dòng)力的振幅大小，f為施加振動(dòng)力的變化頻率，t為手術(shù)仿真的時(shí)刻。

根據(jù)電鉆和擺鋸不同的工作方式設(shè)置振幅A和頻率f合適的參數(shù)值。

1.3.6反饋合力的輸出

接觸作用的反饋力與附加的器械振動(dòng)力疊加合成，即為反饋合力。由于力反饋設(shè)備的輸出力閾值為3.3 N，所以生成的反饋合力需要縮放比例才能輸出給設(shè)備。

F合=ε(F+F′)

(5)

式中，ε為反饋力縮放系數(shù)，F(xiàn)為接觸反饋力，F(xiàn)′為器械震動(dòng)力。

1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.4.1硬件設(shè)備

主計(jì)算機(jī)是虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)的核心硬件，它控制集成了系統(tǒng)的其他組成硬件設(shè)備和軟件模塊，用于處理大量的碰撞計(jì)算和圖形繪制等工作。虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)開發(fā)的主計(jì)算機(jī)配置如表1所示。

表1 主計(jì)算機(jī)的配置參數(shù)Tab.1 Configuration parameters of computer

力觸覺交互設(shè)備為用戶提供了和虛擬環(huán)境進(jìn)行觸覺交互的工具。研究選用由美國麻省理工大學(xué)的Massie等設(shè)計(jì)發(fā)明的桌面式力反饋設(shè)備Phantom[25]，具有6自由度位置傳感輸入，包括X、Y、Z3個(gè)坐標(biāo)軸方向的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)；同時(shí)支持X、Y、Z3自由度的反饋力輸出，最大輸出的反饋力為3.3 N。另外，研究基于增材制造技術(shù)，打印器械手柄的實(shí)體模型與力反饋設(shè)備主體連接,如圖10所示，改進(jìn)系統(tǒng)原型的筆桿式手柄。

圖10 力反饋設(shè)備Phantom。(a)筆桿狀；(b)打印手柄Fig.10 Force feedback Phantom. (a) The stylus handle; (b) The 3D printing handle

1.4.2軟件接口

研究以VisualStudio 2010作為軟件集成開發(fā)環(huán)境，使用C++作為系統(tǒng)開發(fā)語言，采用微軟基礎(chǔ)類庫MFC設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，基于虛擬仿真引擎CHAI 3D和圖形標(biāo)準(zhǔn)庫OpenGL等開源程序構(gòu)建支持力反饋的虛擬膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)仿真系統(tǒng)。其中，CHAI 3D[26](Computer Haptics and Active Interfaces)是系統(tǒng)開發(fā)的核心程序庫，由斯坦福大學(xué)機(jī)器人與人工智能實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，提供和力反饋設(shè)備Phantom通信的接口，獲得終端執(zhí)行器的全局和局部位置方向。

1.4.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖11 虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)工作流程Fig.11 The flowwork of virtual surgery simulation system

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)工作流程如圖11所示，連接力反饋設(shè)備和主計(jì)算機(jī)之間的通信調(diào)試，分別渲染虛擬手術(shù)環(huán)境、虛擬膝關(guān)節(jié)組織、手術(shù)器械模型。系統(tǒng)采用虛擬視覺渲染和虛擬力觸覺計(jì)算兩個(gè)線程模擬膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)過程。虛擬視覺渲染線程主要處理手術(shù)模擬過程中，虛擬手術(shù)器械位置變化、與膝關(guān)節(jié)組織發(fā)生碰撞、切割形變的渲染，線程的刷新頻率保持60 Hz；虛擬力觸覺計(jì)算線程負(fù)責(zé)虛擬手術(shù)器械位置的實(shí)時(shí)更新、器械與膝關(guān)節(jié)組織的碰撞檢測、相互作用反饋力的計(jì)算和輸出等工作，線程的刷新頻率保持1 000 Hz。

1.5 系統(tǒng)評(píng)估

1.5.1一般資料

從合作醫(yī)院單位選取20名自愿參加本次研究的住院規(guī)培醫(yī)師，入選標(biāo)準(zhǔn)：具備基本的關(guān)節(jié)置換手術(shù)理論知識(shí)，既往尚無獨(dú)立實(shí)施關(guān)節(jié)置換手術(shù)的經(jīng)驗(yàn)；將20名醫(yī)師隨機(jī)分為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組，每組10人；兩組成員的一般資料經(jīng)比較后無明顯差異(P>0.05),具有可比性。

1.5.2實(shí)驗(yàn)方法

系統(tǒng)評(píng)估實(shí)驗(yàn)開始前，先對(duì)實(shí)驗(yàn)組的學(xué)員進(jìn)行8～10 min的系統(tǒng)和設(shè)備使用培訓(xùn)，然后每位成員應(yīng)用膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)仿真系統(tǒng)分別訓(xùn)練7次，最后讓實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的所有成員參加3D打印尸體模型的實(shí)際手術(shù)操作，記錄每人完成的操作時(shí)間，并由主治醫(yī)師給出評(píng)分意見；結(jié)束后，對(duì)實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行全面的問卷調(diào)查，每個(gè)問題10分制，其中1～3為差、4～6為一般、7～8為良好、9～10為優(yōu)秀，主要包括系統(tǒng)的逼真性、實(shí)時(shí)性、交互性及綜合性能等方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.5.3統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

運(yùn)用SPSS18.0軟件統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)組和觀察組實(shí)際模型操作采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，問卷調(diào)查采用單樣本t檢驗(yàn)，以P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于以上方法和設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建的支持力反饋的個(gè)性化虛擬膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)仿真系統(tǒng)如圖12所示。力反饋設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接初始化成功后，系統(tǒng)導(dǎo)入膝關(guān)節(jié)置換術(shù)前規(guī)劃方案。手術(shù)仿真演練過程中，操作者手持力反饋設(shè)備的3D打印手柄控制虛擬手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)，通過高頻率的觸覺刷新線程來保證二者的空間位置和姿態(tài)達(dá)到同步。當(dāng)系統(tǒng)檢測到虛擬手術(shù)器械與膝關(guān)節(jié)組織間發(fā)生接觸碰撞，便會(huì)記錄和刪除碰撞的體素，視覺渲染線程利用GPU加速更新變化后的體素模型，同時(shí)力觸覺渲染線程實(shí)時(shí)計(jì)算相互作用的反饋力并反饋給操作者，從而模擬膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的目的。

2.2 人機(jī)交互界面

系統(tǒng)軟件的人機(jī)交互界面如圖13所示，由交互面板①、信息標(biāo)簽②、三維視圖③、向?qū)е甘劲芎蜖顟B(tài)欄⑤等組成。交互面板便于用戶交互控制膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)仿真過程的各個(gè)操作環(huán)節(jié)；信息標(biāo)簽實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)圖形和力觸覺的渲染更新頻率以及力反饋的大??；虛擬膝關(guān)節(jié)組織和手術(shù)器械模型均在三維視圖內(nèi)渲染生成；向?qū)е甘疽詧D片的形式指導(dǎo)手術(shù)的每個(gè)操作環(huán)節(jié)；狀態(tài)欄同時(shí)提供一些手術(shù)輔助工具，例如手術(shù)計(jì)時(shí)、操作提示、器械位置信息等。

2.3 膝關(guān)節(jié)置換術(shù)仿真

2.3.1鉆孔仿真

圖12 虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)全貌Fig.12 The overview of virtual surgery simulation system

圖13 系統(tǒng)人機(jī)交互界面Fig.13 The interactive interface of simulation system

圖14 膝關(guān)節(jié)置換鉆孔仿真Fig.14 The drilling simulation of TKA

圖15 仿真系統(tǒng)的響應(yīng)。(a)反饋力變化趨勢(shì);(b)系統(tǒng)更新頻率Fig.15 The response of simulation system. (a) The trend of force feedback; (b) The update frequency of system

膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)鉆孔仿真過程如圖14所示，打開力反饋設(shè)備開關(guān)，虛擬電鉆的鉆頭部位高速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)手柄部位伴有輕微幅度的震動(dòng)效果。操縱虛擬電鉆沿定位導(dǎo)航模板的孔道(術(shù)前規(guī)劃的鉆孔軸線)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鉆頭與膝關(guān)節(jié)組織發(fā)生接觸碰撞時(shí)，去除鉆孔部位的組織材料，如圖右下角的局部放大所示，并根據(jù)鉆入的深度計(jì)算輸出合適的反饋力。圖15(a)反映鉆孔過程中反饋力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，初始鉆孔時(shí)，由于鉆孔深度的增加，反饋力逐漸增大，當(dāng)拔出鉆頭時(shí)，反饋力急劇減??；圖15(b)反映在模擬鉆孔過程中，可以看出，圖形更新的頻率在60 Hz上下波動(dòng)，而力觸覺線程的更新頻率也維持在1 000 Hz左右。

2.3.2截骨仿真

膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)截骨仿真過程如圖16所示，打開力反饋設(shè)備開關(guān)，虛擬往復(fù)擺鋸的鋸片部位繞夾具中心軸呈左右往復(fù)擺動(dòng)，手柄部位同樣具有震動(dòng)效果。操縱虛擬往復(fù)擺鋸沿截骨器的刀槽平面(術(shù)前規(guī)劃的切割平面)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鋸齒與膝關(guān)節(jié)組織發(fā)生接觸碰撞時(shí)，切割去除截骨路徑上的骨組織，如圖右下角的局部放大所示。

表2 系統(tǒng)問卷調(diào)查評(píng)估結(jié)果Tab.2 The results of questionnaire survey about system

圖16 膝關(guān)節(jié)置換截骨仿真Fig.16 The sawing simulation of TKA

2.4 系統(tǒng)評(píng)估

實(shí)驗(yàn)組在3D打印模型上的實(shí)操時(shí)間為(9.604±0.596) min，相比對(duì)照組的實(shí)操時(shí)間(16.261±1.341) min有較大幅度降低，并且統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，用過虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)訓(xùn)練和未參加過訓(xùn)練的在操作時(shí)間上存在顯著性統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=0.04<0.05)。另外，對(duì)系統(tǒng)問卷調(diào)查的評(píng)估結(jié)果如表2所示。從結(jié)果來看，用戶對(duì)系統(tǒng)的各方面性能，包括系統(tǒng)的逼真性、實(shí)時(shí)性等的評(píng)價(jià)均在“優(yōu)良”等級(jí)，并與平均優(yōu)良水平(8 分)存在顯著性差異，皆在該水平之上，說明研究構(gòu)建的系統(tǒng)能夠滿足用戶的基本訓(xùn)練需求。

3 討論

傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)外科手術(shù)訓(xùn)練主要以尸體標(biāo)本、活體動(dòng)物、人造模型等工具為主，有的甚至在同伴或病人身上練習(xí)。由于尸體標(biāo)本特殊的獲取途徑，通過志愿者捐獻(xiàn)或者醫(yī)院購買，導(dǎo)致資源極度匱乏，相應(yīng)的價(jià)格成本極高；活體動(dòng)物的生理組織結(jié)構(gòu)與人體存在顯著差異，并且遭到設(shè)備的道德倫理譴責(zé)；人造模型的使用雖然在一定程度上緩解了現(xiàn)有的培訓(xùn)窘狀，但因其不能反復(fù)使用，極大地浪費(fèi)能源材料，間接增加訓(xùn)練成本。虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)作為一門涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形學(xué)、數(shù)字醫(yī)學(xué)、傳感器技術(shù)、彈性力學(xué)、生物力學(xué)、力反饋技術(shù)等多學(xué)科交叉與滲透的新型技術(shù)，極度真實(shí)地解剖組織數(shù)字模型，可供訓(xùn)練者反復(fù)使用，具有節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本、減少資源浪費(fèi)、降低學(xué)習(xí)周期等優(yōu)勢(shì)；另外，區(qū)別于傳統(tǒng)的可視化手術(shù)仿真，虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)能夠提供視覺和力觸覺的實(shí)時(shí)交互反饋，使醫(yī)師通過術(shù)前規(guī)劃演練對(duì)術(shù)中情況有充分的把握和準(zhǔn)確的預(yù)測。

本研究通過對(duì)支持力反饋的虛擬膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)仿真系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了該手術(shù)電鉆鉆孔和擺鋸截骨的兩種關(guān)鍵操作方式，具有以下幾點(diǎn)創(chuàng)新之處：首先，研究以3D打印個(gè)性化導(dǎo)板輔助的膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)為仿真對(duì)象，這區(qū)別于其他傳統(tǒng)的常規(guī)骨科手術(shù)方式，融合了手術(shù)規(guī)劃、3D打印和手術(shù)仿真等多項(xiàng)交叉技術(shù)，有助于提高學(xué)員對(duì)個(gè)性化精準(zhǔn)手術(shù)的概念認(rèn)知和實(shí)際應(yīng)用；其次，目前多數(shù)骨硬組織仿真都只建立組織的幾何模型或者物理模型，手術(shù)器械只用幾何模型表示，不存在實(shí)際手術(shù)器械的物理屬性表示，并且手術(shù)操作路徑沿任意位置或方向，而本研究在此基礎(chǔ)上，建立了手術(shù)器械的物理模型，同時(shí)還模擬實(shí)現(xiàn)沿手術(shù)規(guī)劃路徑鉆孔和截骨兩種不同手術(shù)操作過程中的組織形變和力觸覺反饋。

良好的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)需要具備實(shí)時(shí)性、交互性和逼真性等重要特征，實(shí)時(shí)記錄手術(shù)模擬過程中系統(tǒng)的圖形和觸覺刷新頻率，結(jié)果顯示分別持續(xù)維持在60和1 000 Hz范圍左右,沒有出現(xiàn)較大波動(dòng)，說明系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能良好，不存在嚴(yán)重的反饋延遲現(xiàn)象；另外，通過邀請(qǐng)規(guī)培醫(yī)師對(duì)本研究構(gòu)建的虛擬膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)仿真系統(tǒng)的體驗(yàn)評(píng)估，由于實(shí)驗(yàn)組應(yīng)用仿真系統(tǒng)已經(jīng)熟悉強(qiáng)化手術(shù)流程以及術(shù)中操作的要點(diǎn)和力度感知，所以實(shí)際手術(shù)操作訓(xùn)練時(shí)間有顯著的降低(P<0.05)，說明系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的訓(xùn)練轉(zhuǎn)換效度；從問卷調(diào)查的結(jié)果來看，用戶對(duì)系統(tǒng)的3個(gè)性能指標(biāo)較為滿意，說明系統(tǒng)較大程度還原了手術(shù)現(xiàn)場，手術(shù)操作反饋真實(shí)，有助于用戶提高手術(shù)技能。

本研究存在以的局限性。首先，僅用單個(gè)力觸覺接口代理點(diǎn)代表虛擬手術(shù)器械的作用部位，相應(yīng)地與虛擬膝關(guān)節(jié)組織的接觸也僅為點(diǎn)接觸，與實(shí)際手術(shù)器械的作用方式(線接觸或面接觸)存在差別。下一步的工作重點(diǎn)將根據(jù)虛擬手術(shù)器械的工作樣式，例如麻花鉆的切削刃、往復(fù)擺鋸的鋸齒，通過設(shè)置多個(gè)代理點(diǎn)建立精確的力觸覺模型，從而提高虛擬膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)仿真系統(tǒng)的逼真度。其次，系統(tǒng)應(yīng)用的顯示器提供的視覺反饋屬于二維平面效果，在用戶操作體驗(yàn)過程中，較難快速準(zhǔn)確地把握虛擬手術(shù)操作過程的空間位置關(guān)系，因此研究有待集成立體顯示設(shè)備或者頭戴式VR眼鏡等硬件到仿真系統(tǒng)中，以提供更接近現(xiàn)實(shí)環(huán)境的3D立體顯示效果。

4 結(jié)論

本研究以3D打印導(dǎo)板輔助膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)作為應(yīng)用背景，重建虛擬膝關(guān)節(jié)解剖組織及手術(shù)器械等幾何物理模型，基于碰撞檢測、力觸覺渲染生成，實(shí)現(xiàn)手術(shù)操作的組織材料去除變形及反饋力的更新計(jì)算。以力反饋設(shè)備為硬件平臺(tái)，利用觸覺引擎和圖形庫等軟件接口，設(shè)計(jì)構(gòu)建了支持力反饋的虛擬膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)關(guān)鍵操作步驟鉆孔和截骨的實(shí)時(shí)交互仿真模擬，驗(yàn)證了術(shù)前規(guī)劃方案的正確性；同時(shí)通過專業(yè)人員的體驗(yàn)評(píng)估，有力驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)手術(shù)訓(xùn)練提高的幫助性。研究也存在力覺模型單一、沉浸感低等不足之處，后續(xù)工作將以此為突破點(diǎn)，進(jìn)一步完善升級(jí)此系統(tǒng)。