基于虛擬現(xiàn)實技術的宮腔鏡操作培訓器設計與應用

周云?吳明燦?羅偉

摘 要 目的 設計用于宮腔鏡操作和教學的模擬培訓裝置，提高培訓效果和質量。方法 利用計算機三維仿真技術建模結合器械實物模型設計出虛擬培訓裝置。結果 在2008年至2010年3年中，將每年參加培訓的醫(yī)師隨機分為2組，每組各60名。實驗組使用虛擬培訓系統(tǒng)，對照組使用傳統(tǒng)手術教學，未使用虛擬培訓系統(tǒng)。所得結果經(jīng)過統(tǒng)計學分析，實驗組操作考核成績顯著優(yōu)于對照組，p<0.05，差異有統(tǒng)計學意義。結論 虛擬裝置提供的操作感受逼真，使用模擬宮腔鏡培訓裝置可大幅提高參加培訓醫(yī)師成績和操作水平。

關鍵詞 虛擬現(xiàn)實技術 仿真技術 臨床教學

引 言

虛擬現(xiàn)實技術是利用計算機生成一種模擬環(huán)境，通過多種傳感設備使用戶沉浸到該環(huán)境中，實現(xiàn)用戶與該環(huán)境自然交互的技術[1，2]。虛擬現(xiàn)實技術具有多感性、存在性、交互性、自主性特點[3～5]。目前與醫(yī)學相關的虛擬現(xiàn)實應用主要包括仿真手術、虛擬內(nèi)窺鏡檢查和模擬放射外科等。

1 虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學教學中的應用概述

虛擬醫(yī)學手術仿真訓練在與醫(yī)學相關的虛擬技術中是難度較大的一種。在手術訓練領域較前沿的是美國波士頓力學研究中心，他們采用的方法是利用偏振眼鏡觀看場景、虛擬手術器械模擬操作。在國內(nèi)，大部分研究工作集中在對醫(yī)學圖像的三維重建及其可視化等基礎技術方面，尤其在基于計算機圖形學的醫(yī)學圖像三維可視化算法研究領域取得較大的成果。華中科技大學從2000年開始構建“虛擬人”，在人體器官虛擬建模方面取得很大進步。實現(xiàn)醫(yī)學模型360°旋轉和任意倍數(shù)的縮放，還可以自由觀察模型的內(nèi)部結構等。虛擬現(xiàn)實手術仿真訓練是一種技術難度較大的應用。與其它虛擬現(xiàn)實技術應用相比，它要求虛擬產(chǎn)生多層次、多種形態(tài)、相聯(lián)關系復雜的三維虛擬人體組織；人機交互性強，要求定位和反饋精確度高。如何利用虛擬技術設計出一種宮腔鏡模擬培訓裝置來解決臨床教學和培訓的問題，成為亟待解決的難題。

筆者通過將原有的醫(yī)學圖片、物體，由二維圖像轉化為具有真實立體感的三維空間的模型，有效地解決醫(yī)學模型不能旋轉和縮放的瓶頸問題。再通過利用虛擬現(xiàn)實技術提供的三維模型，受訓者使用軟件時可以觀察醫(yī)學模型的立體全貌，就像在現(xiàn)實生活中觀察事物一樣，可以任意從各個方向和位置了解物體的特征和屬性。當移動物體時，物體也能依據(jù)一定的自然規(guī)律作相應的動作和位置變化，真正地具備事物本生的生理屬性，讓受訓者得到一種身臨其境的真實感。

2 虛擬宮腔鏡培訓模擬器的設計

采用電子腔鏡手術的器械實物模型，配合計算機多媒體技術和先進的圖形三維重建算法，利用虛擬現(xiàn)實技術構建模擬訓練裝置。通過三維重建技術構建虛擬人體宮腔的立體模型，訓練操作者的一些腹腔鏡操作基本技術而非整個手術過程。為使模擬器下的操作更加接近臨床實際手術，還可配套各種材料制作的手術訓練模型，如子宮模型、子宮囊腫切除模型、宮腔模型等。這些模型都部分模擬手術實際情況，操作者可以在這些模型上完成相應手術，通過在這些模型上的訓練，受訓者可以很快適應和掌握這些手術。

2.1 模型的設計與制作

制作長、寬、高分別為35cm×35cm×30cm的訓練箱（模擬人體腹腔，如圖1）。按照臨床手術方式在模擬人體腹腔上預留Trocar（穿刺錐）及攝影器械部位。模擬人體腹腔的上部為不透光的亞克力玻璃材質，其目的在于使操作者無法直接觀察到操作，于模擬腹腔中放置普通光源作為腹腔鏡之冷光源系統(tǒng)，該光源可調(diào)節(jié)并可照射不同的手術野。以普通攝像頭代替腹腔鏡CCD攝像頭，固定于訓練箱上，并與計算機之視頻采集卡相連。通過視頻采集軟件以影像的形式出現(xiàn)在電視的屏幕上。練習者自預留之穿刺孔插入腹腔鏡手術器械并可通過觀看屏幕，完成相關手術技術的訓練及操作（如圖2、圖3）。

2.2 三維仿真建模

2.2.1 建立宮腔的三維模型 通過Virtools5.0軟件，對人體的宮腔模型進行重建，采集相關的CT、MRI數(shù)據(jù)，進行重建，然后將模型三維化，并植入開發(fā)的操作平臺系統(tǒng)軟件中。

2.2.2 設計手術器械的操作環(huán)境和相關模型 結合手術的要求和特點，對手術器械進行三維模型的建立，經(jīng)過貼圖后形成真實的可操作模型器械，然后通過專門的力反饋設備進行運動特征定義，使之與實際的操作器械運動位置聯(lián)動，形成逼真的操作感受。當培訓者在操作器械做宮腔鏡模擬手術時，可以實時看到虛擬手術宮腔模型的變化和手術效果。

2.3 基本手術操作模型及常見手術模型的設計

宮腔鏡外科手術之不同于傳統(tǒng)外科手術在于其通過特殊器械經(jīng)腹壁孔道間接地處理病灶，術者必須通過觀看二維的顯示屏來指導操作。不能直觀地看，不能用手直接感知。這就要求術者要適應屏幕及熟練地通過腹腔鏡手術器械來完成傳統(tǒng)手術中用手來完成的操作。我們通過設計一定的操作模型來規(guī)范操作并可對操作進行評估（表1）。如桔子撥皮操作、充水指套手術模型等。傳統(tǒng)的宮腔鏡手術模擬訓練通常是一些簡單的縫合、結扎、切開操作，該操作方法枯燥，久而久之讓訓練者失去練習興趣[6]。而手術訓練模型則將各種常用手術操作融合于一個手術過程之中，增加操作的趣味性及可評估性。如囊腫手術模型中，若結扎闌尾根部不徹底，則操作中會有水流出，意味著手術不很成功。

2.4 宮腔鏡操作訓練

宮腔鏡器械多為直線型的，而打結等操作需要不斷彎曲操作，且由于在平面的顯示屏幕上只能看到模擬腹腔內(nèi)器官的平面影像，看不到立體影像，難以判斷縱向深度，定位困難，因此，完成打結這個操作很費時，也不方便，有時為打一個結，可以耗時達5分鐘，甚至更長。培訓中實驗組先在輸液管上訓練各種打結方法，單結、方結、外科結等，更直觀地反映其存在的問題，縮短培訓時間。

3 臨床應用結果

3.1 培訓形式和方法

宮腔鏡訓練模擬器以一個箱體來模擬人體的宮腔，然后在箱體內(nèi)可以設置一定的手術模型，例如：桔子撥皮模型、小型實驗動物模型、軟管繞線打結模型、離體豬腸縫合模型來分別完成不同的手術操作項目，還采用虛擬現(xiàn)實技術對手術模型進行三維建模，連接六自由度的力反饋設備，來實現(xiàn)手術的操作訓練，使操作者獲得真實的訓練感受。

為更好地達到宮腔鏡訓練模型的培訓效果，且更有針對性培訓學生薄弱環(huán)節(jié)，特制作操作考核指標。通過每項操作得分，可更直觀地反映其存在的問題。

培訓授課采用桌面電腦工作站操作，在平時的教師授課時，多采用桌面電腦工作站操作，桌面虛擬現(xiàn)實沉浸體驗來進行互動教學；對于手術預演、遠程手術教學時采用醫(yī)學專家會議廳多媒體演示，可以更好地實時互動，操作起來一目了然，增加專家互動的機會和途徑。

由于采用網(wǎng)絡云技術，大量的信息數(shù)據(jù)存儲和計算，存儲于醫(yī)學院自建私有的云里，可以實現(xiàn)高速地存儲和分析，對于三維數(shù)據(jù)的計算和現(xiàn)實，縮短了系統(tǒng)的響應時間，同時滿足大量受訓人員使用軟件系統(tǒng)的需求，并且解決培訓地點和時間的差異問題[3，4]，可以滿足足夠多的用戶在不同地點和不同實驗場地，并行使用軟件的數(shù)據(jù)庫和其他操作。手術培訓教師在培訓時通過云技術網(wǎng)絡系統(tǒng)，對所在班級的受訓者進行全程實時監(jiān)控，可以在同一時間進行屏幕多分屏顯示，進入任何一個操作窗口都可看到學員操作的實際情況，還能通過網(wǎng)絡實時語音操作界面，對學員進行解說和提示。與此同時，學員每次在模擬器上的操作情況和成績都被記錄在系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫中，便于教師分析和查閱。

3.2 虛擬系統(tǒng)培訓效果

選擇2008～2010年3年參加培訓的醫(yī)師，每年學員隨機分為2組，每組各60名。實驗組使用虛擬培訓系統(tǒng)，對照組使用傳統(tǒng)手術教學，未使用虛擬培訓系統(tǒng)。2組操作考核成績有顯著差異。見表2。

4 討論和結論

虛擬手術操作可以使醫(yī)務工作者沉浸于虛擬的場景內(nèi)，通過視、聽、觸覺感知等多種感官了解和學習各種手術實際操作[6]。由于宮腔鏡訓練模擬器具有低代價、零風險、多重復性、自動指導的優(yōu)點，迅速高效地提高學習者手術及其他操作的技能。

通過對宮腔鏡手術設備投入成本也應該加以控制，讓其物盡其用[7]。設計這種簡易訓練模型成本低廉、取材容易、制作簡便、模擬逼真。能較好地訓練醫(yī)學生掌握宮腔鏡手術的基本技能。虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學訓練方面的應用展現(xiàn)出良好的前景。

宮腔鏡手術模擬訓練器的設計與應用加入對學生做綜合的評價，提高其評價功能教學的深層次發(fā)展和全面評估[2，5]，為受訓醫(yī)生進行評分評價考核，為醫(yī)學院和教學醫(yī)院的培訓醫(yī)學專家提供教學指南和考核培訓者和受訓者雙方質量管理于一體的一系列綜合評估管理系統(tǒng)。打造無痛醫(yī)院開創(chuàng)微創(chuàng)手術，為醫(yī)院的手術教學工作提供新的途徑和手段。

參考文獻

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