一種膽道虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)

摘 要:設(shè)計(jì)了一種用于外科醫(yī)生仿真訓(xùn)練的具有實(shí)時(shí)力反饋的膽道虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)。主要討論了本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、三維重建、碰撞檢測(cè)、軟組織的彈性變形和力反饋等方面的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)膽囊取石手術(shù)進(jìn)行仿真模擬，分析該系統(tǒng)的應(yīng)用情況和性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效地進(jìn)行膽道手術(shù)仿真訓(xùn)練，提供的力反饋功能具有較好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞: 虛擬手術(shù); 膽道手術(shù); 碰撞檢測(cè); 力反饋

中圖分類號(hào):TP391.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-3695(2010)02-0566-03

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2010.02.045

Kind of biliary tract virtual surgery simulation system

PAN Jia-hui1， BAO Su-su2

(1.Dept. of Computer， Nanhai Campus， South China Normal University， Foshan Guangdong 528225， China; 2.College of Computer， South China Normal University， Guangzhou 510631， China)

Abstract:This paper designed a kind of biliary tract virtual surgery simulation system and discussed the actualization of related techniques such as system structure design， 3D reconstruction， collision detection， elastic deformations of soft tissues and force feedback. By the virtual surgery of cholecystotomy for calculus removed， it analyzed the application and the performance of the simulation system. The result demonstrates its ability to support the simulation training and provides the stability and real-time in force feedback.

Key words:virtual surgery; biliary tract surgery; collision detection; force feedback

眾所周知，膽道結(jié)石是我國(guó)臨床常見、多發(fā)的膽道疾病之一，手術(shù)是治療膽道疾病的主要手段。膽道手術(shù)又是腹部外科中再次手術(shù)發(fā)生率最高的一類手術(shù)[1]，常常存在情況復(fù)雜、技術(shù)難度高、風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)在技術(shù)上的日趨成熟，虛擬手術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中正發(fā)展成為一個(gè)新的研究方向。虛擬手術(shù)是指利用各種醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)虛擬3D環(huán)境，建立可交互操作的平臺(tái)，通過(guò)虛擬手術(shù)器械，仿真模擬手術(shù)過(guò)程。它所涉及的內(nèi)容包括對(duì)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的提取與可視化，以及對(duì)于虛擬人體器官組織在虛擬手術(shù)器械作用下的各種變化的模擬和對(duì)操作人員的各種感官反饋的模擬。利用虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)可使操作者沉浸于虛擬的場(chǎng)景中，體驗(yàn)并學(xué)習(xí)如何應(yīng)付各種臨床手術(shù)的實(shí)際情況，通過(guò)視、觸覺感知來(lái)預(yù)先模擬各種手術(shù)實(shí)際操作，并通過(guò)預(yù)演手術(shù)的整個(gè)過(guò)程以便事先發(fā)現(xiàn)手術(shù)中的問(wèn)題，提高手術(shù)的成功率。

目前，國(guó)外已經(jīng)有許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)虛擬手術(shù)進(jìn)行了一定的研究和實(shí)踐。法國(guó)INRIA研究項(xiàng)目組織在2000年開發(fā)出一個(gè)肝臟切割模擬器，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一系列的發(fā)展[2]。西班牙于2001年研制開發(fā)了帶有力反饋功能的三維微創(chuàng)手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)[3]。美國(guó)斯坦福大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院在2003年研究開發(fā)了軟組織縫合的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)[4]。Kuroda等人[5]在2005年研究了多個(gè)軟組織物體之間的交互作用，并模擬了醫(yī)生通過(guò)按壓直腸壁來(lái)間接觸摸前列腺的過(guò)程。但有關(guān)膽道虛擬手術(shù)方面的研究，目前還沒有。

與國(guó)外情況相比，我國(guó)研究剛剛起步，近年的研究大多集中在對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的三維重建及其可視化等方面，而對(duì)于帶有力反饋的虛擬手術(shù)，特別是針對(duì)虛擬手術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與整合的投入比較少。2001年王勇軍等人[6]使用PHANToM設(shè)備，設(shè)計(jì)了一個(gè)有力反饋的鼻腔鏡虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)。譚珂等人[7]在2003年把觸摸過(guò)程中的面彈力和粘滯摩擦力的實(shí)現(xiàn)原理和方法應(yīng)用于鼻腔鏡虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)中。許天春等人[8]在2006年也使用了PHANToM設(shè)備，設(shè)計(jì)了一個(gè)聲帶腫物切除仿真系統(tǒng)。

在借鑒前面研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有切割、抓取等交互功能的帶有力反饋的膽道虛擬手術(shù)系統(tǒng)。

1 仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

應(yīng)用于虛擬手術(shù)的仿真系統(tǒng)必須同時(shí)具有高質(zhì)量的、逼真的視覺圖像和高分辨率、真實(shí)觸覺反饋(力反饋)的實(shí)時(shí)交互。視覺反饋指通過(guò)顯示器觀察逼真的虛擬環(huán)境以及仿真體在交互設(shè)備的操作下實(shí)時(shí)變形，而觸覺反饋(力反饋)指操縱者通過(guò)交互設(shè)備感知仿真體的物理學(xué)特性。基于這兩大特性，本仿真系統(tǒng)選用美國(guó)SensAble Technologies Inc的PHANToM力反饋設(shè)備作為交互設(shè)備，利用OpenGL和PHANToM配套的OpenHaptic軟件開發(fā)包來(lái)搭建虛擬環(huán)境。本文的仿真系統(tǒng)與用戶在交互過(guò)程中的反饋機(jī)制如圖1所示。PHANToM的操縱桿是操作者操縱的手術(shù)器械，它能讓操作者感知物體的細(xì)致特征以及物體對(duì)于作用力的反抗作用。操作者的控制信息通過(guò)虛擬手術(shù)器械傳輸?shù)椒抡嫦到y(tǒng)進(jìn)行空間定位和碰撞檢測(cè)計(jì)算，在此前提下進(jìn)行模型形變計(jì)算，對(duì)更新的虛擬環(huán)境進(jìn)行繪制與渲染以實(shí)現(xiàn)視覺反饋，同時(shí)計(jì)算力反饋的大小并通過(guò)PHANToM接口反饋到操作者的手中，產(chǎn)生觸覺反饋。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 醫(yī)學(xué)圖像分割與三維重建

三維幾何模型是虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)的主要交互對(duì)象，目前主要采用的方法是先對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行分割，然后三維重建，可利用的圖像資源包括CT、MRI等數(shù)據(jù)。為滿足精確度和真實(shí)性，本系統(tǒng)以通過(guò)64排螺旋CT掃描真實(shí)病人所得的肝臟和膽道結(jié)石數(shù)據(jù)作為虛擬手術(shù)研究的個(gè)體數(shù)據(jù)。

把膽道、肝臟及其管道系統(tǒng)從CT圖像中提取出來(lái)，是膽道虛擬仿真手術(shù)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)基本前提。針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種動(dòng)態(tài)自適應(yīng)區(qū)域生長(zhǎng)算法。首先在感興趣區(qū)域選擇一種子點(diǎn)作為初始點(diǎn)，然后計(jì)算該種子點(diǎn)3×3鄰域的灰度均值作為種子區(qū)域的初始值，同時(shí)計(jì)算5×5鄰域的方差，作為生長(zhǎng)準(zhǔn)則的歸并閾值。計(jì)算式如下:

δ=∑2r=-2∑2c=-2(g(x+r，y+c)-mean(x，y))2(1)

mean(x，y)=19∑1r=-1∑1c=-1g(x+r，y+c)(2)

式(1)中，g(x，y)表示待歸并的像素點(diǎn)(x，y)的灰度值;式(2)中，(x，y)表示種子區(qū)域中心點(diǎn)坐標(biāo)。

在醫(yī)學(xué)圖像分割的基礎(chǔ)上，本文采用基于表面重建方法來(lái)進(jìn)行三維重建，即用三角形或者多邊形來(lái)擬合器官與組織的表面。結(jié)合VTK開發(fā)包，使用移動(dòng)立方體法(marching cubes)的內(nèi)建算法對(duì)膽道器官及其組織進(jìn)行了三維重建。

2.2 碰撞檢測(cè)

碰撞檢測(cè)是虛擬手術(shù)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)問(wèn)題之一。只有判定手術(shù)器械與人體組織發(fā)生了碰撞，才有必要實(shí)施變形計(jì)算以及切割、縫合等操作。碰撞檢測(cè)的結(jié)果不僅要報(bào)告是否發(fā)生碰撞，還需要提供接觸位置。碰撞檢測(cè)中，層次包圍盒的應(yīng)用最為廣泛。包圍盒的類型眾多，使用與物體近似程度較高的包圍盒，如OBB和k-DOPs，雖然可以提高碰撞檢測(cè)的效率，但是由于它們的計(jì)算方法比較復(fù)雜，更新變形的層次包圍盒樹的開銷非常大，并不適合用于變形模型的碰撞檢測(cè)。由于器官組織模型通常要求盡可能精細(xì)，其三角面片個(gè)數(shù)一般高達(dá)1 000~10 000。為了提高這類檢測(cè)的效率，本仿真系統(tǒng)的碰撞檢測(cè)過(guò)程分為粗略檢測(cè)階段和精細(xì)檢測(cè)階段，如圖2所示。

在粗略檢測(cè)階段，對(duì)基于三角面片的器官組織模型和虛擬手術(shù)器械模型進(jìn)行預(yù)處理，分別建立基于AABB的層次包圍盒，然后檢測(cè)兩個(gè)包圍盒是否相交。若相交則進(jìn)入精細(xì)檢查階段，即求出相交的位置。考慮到手術(shù)器械模型相對(duì)簡(jiǎn)單，先用其包圍盒樹根節(jié)點(diǎn)遍歷器官組織的包圍盒樹。這樣可以快速定位手術(shù)器械在虛擬場(chǎng)景中的位置，較早排除不相交的部分，提高檢測(cè)的效率。

在精細(xì)檢測(cè)階段，采用點(diǎn)與體的碰撞檢測(cè)方法，即采用質(zhì)點(diǎn)模型表示運(yùn)動(dòng)的虛擬手術(shù)器械，通過(guò)頂點(diǎn)/三角形碰撞的方法來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算。頂點(diǎn)/三角形碰撞，指一個(gè)三角形的頂點(diǎn)與另一個(gè)三角形發(fā)生接觸。其中P點(diǎn)為接觸點(diǎn)。在t時(shí)刻P點(diǎn)是否與三角形相碰，可以通過(guò)以下方法進(jìn)行判定。如果碰撞發(fā)生則滿足式(3):

(P(t)-V1(t))#8226;((V2(t)-V1(t))×(V3(t)-V1(t)))=0(3)

2.3 膽道組織彈性形變

對(duì)于膽道虛擬手術(shù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，柔性器官的彈性建模是難點(diǎn)。質(zhì)量—彈簧系統(tǒng)是廣泛適用于變形物體建模的一種物理基礎(chǔ)建模法。該模型由許多彈簧和節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)彈簧連接，被建模物體的質(zhì)量集中在節(jié)點(diǎn)上。整個(gè)系統(tǒng)總趨向零能量。質(zhì)量—彈簧模型具有創(chuàng)建簡(jiǎn)單、能很好滿足實(shí)時(shí)性、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)三維重建，器官組織模型的邊界用一個(gè)網(wǎng)格表面來(lái)表示。網(wǎng)格中節(jié)點(diǎn)之間的力為線彈性力，通過(guò)增加與節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)的阻尼力模擬組織的粘彈性特征。在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，通常將物體的運(yùn)動(dòng)方程離散為針對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)，即網(wǎng)格中每個(gè)有質(zhì)量的節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)均遵守牛頓第二定律:

F=ma(4)

即mid2xdt2=-γidxdt+∑jgij+fi(5)

其中:mi表示i節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量;x代表i點(diǎn)的位移向量;γi為與速度相關(guān)的阻尼系數(shù);gij表示質(zhì)點(diǎn)i與相鄰的質(zhì)點(diǎn)j之間的相互作用力;fi表示作用在i點(diǎn)上的外力。

由此得出，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平衡條件實(shí)質(zhì)上是網(wǎng)格中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)動(dòng)態(tài)平衡條件的集合，即

Mx+Cx+Kx=f(6)

其中:x為N個(gè)質(zhì)點(diǎn)位移矢量集合成的3N維位移矢量;M、C和K分別代表3N×3N的質(zhì)量、阻尼系數(shù)和彈簧系數(shù)矩陣;3N維矢量f表示作用在質(zhì)點(diǎn)的全部外力。

2.4 力反饋模型

配合力反饋設(shè)備PHANToM，建立力反饋模型能讓操作者更真實(shí)地進(jìn)行虛擬手術(shù)仿真。本文的力反饋是指一種觸覺反饋，作用于操作者的體表，用來(lái)感知和體察物體的細(xì)致特征。在OpenHaptic中，其虛擬進(jìn)程以一定的頻率刷新、采集和刷新PHANToM信息、進(jìn)行碰撞檢測(cè)和力反饋計(jì)算等。本文采用基于質(zhì)量—彈簧—阻尼器的物理模型作為力反饋模型，如圖3所示。

軟組織的表面附著有彈簧與阻尼器。在虛擬環(huán)境中，虛擬手術(shù)器械模型某頂點(diǎn)一旦與該表面發(fā)生碰撞，就會(huì)產(chǎn)生彈性形變。本文只考慮與接觸面法向同向的面彈力。通過(guò)得到器械模型某頂點(diǎn)原始位置與新位置構(gòu)成的矢量，可以獲得軟組織表面的相交接觸點(diǎn)SCP，同時(shí)也可以得到彈簧拉伸的長(zhǎng)度x，根據(jù)該模型，面彈力計(jì)算的數(shù)學(xué)描述為:

Md2xdt2+Ddxdt+Kx=F(t)(7)

其中:M是該面的質(zhì)量;D是阻尼系數(shù);K是彈簧的彈性系數(shù);x是某時(shí)刻彈簧縮放的位移;F(t)是某時(shí)刻的總反饋力。

3 膽道手術(shù)的仿真應(yīng)用

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)

膽道手術(shù)涉及膽囊、膽囊中的結(jié)石、肝臟及其管道系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此仿真系統(tǒng)提供了多種觀察方式和交互方式。目前，本仿真系統(tǒng)可以模擬手術(shù)刀、組織剪、血管鉗、持針器和縫合針五種手術(shù)器械以供操作，并已成功模擬了膽囊取石的手術(shù)過(guò)程，如下:a)將肝膽臟器和各管道模型導(dǎo)入到虛擬手術(shù)器械仿真系統(tǒng)中，為便于觀察，分別給予互相差別明顯的顏色渲染，如圖4所示;b)通過(guò)縮放、旋轉(zhuǎn)、肝臟表面透明等方式，從不同的方位觀察肝臟內(nèi)部管道結(jié)構(gòu)的分布和走向，以及膽道結(jié)構(gòu)及結(jié)石的位置關(guān)系，如圖5所示;c)根據(jù)觀察情況，結(jié)合臨床手術(shù)切除的原理，設(shè)計(jì)和確定切除平面，如圖6、7所示;d)選擇手術(shù)刀，如圖8所示，切開膽囊壁，膽囊露出膽汁;e)選擇手術(shù)器械中的組織剪，剪開膽囊頸部，如圖9所示;f)選擇手術(shù)器械中的血管鉗，夾住膽囊切口后拉開，如圖10所示;g)以膽囊作自然取石袋，選擇取石鉗，將結(jié)石取出后，如圖11所示;h)選擇持針器和縫合針，把膽囊切口縫合，如圖12和13所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在上述的仿真應(yīng)用中，操作者用PHANToM手柄操縱虛擬手術(shù)器械進(jìn)行膽囊取石手術(shù)。本文針對(duì)力反饋功能、系統(tǒng)實(shí)用性和有效性三方面進(jìn)行分析。

在力反饋操作過(guò)程中，手術(shù)刀的三維力反饋信息如圖14所示。數(shù)據(jù)表明，操作者操縱虛擬手術(shù)器械不但明顯感受到作用力，而且在交互過(guò)程中，反饋力分量隨著虛擬手術(shù)器械的變化呈一定規(guī)律的變化。操作者感受到連續(xù)變化的反饋力，虛擬手術(shù)器械始終在操作者的牽引下，使手術(shù)過(guò)程中能進(jìn)行精細(xì)的操作。此外，反饋力分量的變化，基本符合不同手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)期望，表現(xiàn)出穩(wěn)定的交互效果。

對(duì)于本仿真系統(tǒng)的實(shí)用性，外科醫(yī)生的評(píng)價(jià)結(jié)果是:該仿真模擬了膽囊取石過(guò)程，雖然只是模擬了粗略的手術(shù)過(guò)程，但基本上已經(jīng)體現(xiàn)出手術(shù)的特點(diǎn):預(yù)行膽囊的切除線;分離膽囊切口;取出結(jié)石;移開后縫合切口。虛擬手術(shù)中的形變、反饋力、交互操作等效果已達(dá)到仿真訓(xùn)練的實(shí)際要求。

虛擬手術(shù)中數(shù)據(jù)計(jì)算量比較大，而力反饋在精度和實(shí)時(shí)性方面的要求又較高，因此，在不同的模型規(guī)模下，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了評(píng)測(cè)，分析系統(tǒng)的有效性。在圖形工作站(CPU: Xeon 2.80 GHz，內(nèi)存: 2 GB，顯卡:FX1400)上的評(píng)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)的性能指標(biāo)

模型頂點(diǎn)數(shù)/個(gè)圖像繪制幀頻/fps觸覺繪制幀頻/fps模型頂點(diǎn)數(shù)/個(gè)圖像繪制幀頻/fps觸覺繪制幀頻/fps

83573.001 027.433 45024.26246.78

1 53232.53325.2415 22410.83125.46

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，圖像繪制和觸覺繪制的計(jì)算頻率與模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)呈線性關(guān)系。因此，可以推算出當(dāng)表面節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 000左右的模型，其圖像繪制的頻率可達(dá)30 fps左右，力反饋頻率可達(dá)300 fps。此系統(tǒng)的運(yùn)算速度基本能滿足虛擬手術(shù)的需求，具有滿足交互的實(shí)時(shí)性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從一種膽道虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)出發(fā)，圍繞著虛擬手術(shù)系統(tǒng)的視覺反饋和觸覺反饋兩大要素，對(duì)本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與仿真應(yīng)用進(jìn)行深入的研究。通過(guò)模擬膽道手術(shù)的基本過(guò)程，使操作者更有效、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)地掌握復(fù)雜手術(shù)操作的技巧和過(guò)程，因而具有較高的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)然，虛擬手術(shù)仿真本身是非常復(fù)雜的，應(yīng)在研究中不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并改進(jìn)，使相關(guān)理論和方法能進(jìn)一步拓展到其他虛擬手術(shù)仿真領(lǐng)域。

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