仿真手術刀在虛擬手術系統中的應用

羅 偉 李珊珊 丁明躍

1.長江大學附屬第一醫院，湖北荊州 434000；2.湖北省荊州市中心血站，湖北荊州 434000；3.華中科技大學生命科學院生物醫學工程系，湖北武漢 431000

當前，虛擬仿真手術是虛擬現實技術在醫學中的一項新的應用，也是世界各國研究熱點問題之一[1-2]，其是根據生物醫學工程學的知識，使得醫生能夠真實地置身于計算機重建生成的“靈境”中，然后從仿真手術器械的使用著手，學習如何進行各種仿真手術和處理各種突發情況。如何正確使用手術刀進行手術是外科實習醫生必備的訓練課程。醫生在執行手術時，離不開手術刀的操作。自2011年以來，經過長江大學附屬第一醫院研究人員的辛勤工作，建成了一個利用虛擬手術刀實現虛擬外科手術的系統平臺，保證了進修醫師和醫學生可以重復進行各種常規操作訓練，并得到專家手術指導，降低了手術的風險，節約了培訓醫生的費用，大大提升了教學的質量和效果。

1 仿真手術刀的研制

仿真手術刀的研制主要考慮了其在使用方式上與實際手術刀必須保持一致，訓練的目的才能真正地實現。首先，常用的抓持手術刀方式，①琴弓式：琴弓式是最常用的一種執刀方式，動作范圍廣而靈活，用力涉及整個上肢，主要在腕部。用于較長的皮膚切口和腹直肌前鞘的切開等。②執筆式：用力輕柔，操作靈活準確，便于控制刀的動度，其動作和力量主要在手指。用于短小切口及精細手術，如解剖血管、神經及切開腹膜等。③握持式：全手握持刀柄，拇指與食指緊捏刀柄刻痕處，此法控刀比較穩定，操作的主要活動力點是肩關節。用于切割范圍廣、組織堅厚、用力較大的切開，如截肢、肌腱切開、較長的皮膚切口等。④反挑式：是執反挑式、筆式的一種轉換形式，刀刃向上挑開，以免損傷深部組織，操作時先刺入，動點在手指。用于切開膿腫、血管、氣管、膽總管或輸尿管等空腔臟器，切斷鉗夾的組織或擴大皮膚切口等。⑤指壓式：用力重，食指壓住刀柄前端，后半端藏于手中，此法控刀稍不靈活。主要適用于難于切開的皮膚。本研究通過實際調查工作發現，醫生大多采用琴弓式或握持式的抓持刀柄姿勢，見圖1。

圖1 常用手術刀抓持方式

1.1 手術刀受力分析

琴弓式持手術刀，操作者的手指關節將感覺到來自手術刀反饋的切割力，接著手指將這一信息傳遞給操作者的大腦；同時人的眼睛感知到的手術刀位置和姿態情況也傳入大腦。大腦將這兩方面信息處理和融合，進一步控制醫生的手臂和手腕協調動作。整個過程相關的因素主要包括：手臂的力角度、手的姿勢、切割對象的生理特征、組織產生的阻力等[2]。見圖2。

圖2 手術時術者的反饋控制系統

1.2 手術刀構造

仿真手術刀研制成功與否關鍵在于盡可能地使其符合實際操作習慣，一手持刀柄，另一手用持針鉗（持針器）夾住刀片，嵌入刀柄前端的凹處，再用持針鉗（持針器）把刀片夾好即可使用。仿真手術刀沒有一個固定的支點，因此它只能提供給手指一個反饋力。手臂上力的感知是通過視覺來收集反饋信息的，這樣就可以彌補不足。實驗表明，仿真手術刀確實能夠提供給操作者一個身臨其境的力反饋的真實觸覺。

2 力反饋設備

2.1 力反饋設備選擇

將手術刀的受力點與牽引鋼絲相連，由步進電機-絲杠傳動的驅動方式來拖動牽引鋼絲。因為步進電機在額定載荷范圍內啟動和制動均平穩，控制十分簡單方便，絲杠傳動還可以進一步降低了機械的振動，保證了運動的直線精度值。當操作者手向上抬起產生拉力時，拉力就能及時地傳遞到食指，這樣就給操作者帶來了明顯的力反饋感受[3-5]。

2.2 力反饋控制模型

力反饋裝置采用兩種力反饋控制策略。

2.2.1 基于位置的開環控制策略 基于位置的開環控制策略依據的是刀尖抬起的高度與示指感受到的切割力成正比這一特點。它的優點是模型直觀、控制簡單，但控制精度難于保證。

2.2.2 基于反饋力的閉環控制策略 由于模型相對復雜，而且需要添加拉力傳感器，直接利用反饋力作為控制量，控制精度較高。因為手術操作是十分精細的，醫生的力覺反饋尤為重要，稍有不慎就會釀成大禍。因此，既要使虛擬外科手術系統更加真實地模擬，又要求仿真手術刀連接的力反饋裝置精度高。經過比較，本研究選擇了基于反饋力的閉環控制策略對力反饋進行控制[5]。見圖3。實驗結果顯示，通過4個步驟很真實地實現了切割反饋力變化情況。見圖4。

圖3 反饋力控制模型

圖4 實際切割反饋力輸出

3 虛擬手術系統環境的仿真

本研究構建了一個虛擬手術室，在虛擬手術臺上設置了手術對象和手術場景中所有因素。系統將所有的圖像信息投影到一個平放的屏幕上。受訓者可以按照事先設定好的模型進行手術操作，通過仿真手術刀的操作，輕松實現在模型上的切割和練習。利用這些信息可直接調Open GL函數產生三角形面片，進而生成虛擬人體組織[3-4，6]。當“手術刀”在操作屏幕上滑動時，就留下了相應操作軌跡，并出現了劃開的切口，同時又有相應的人體生理特征的顯示配合生成，保證醫生的手術逼真感，系統具備醫學手術課程要求的內容，對于操作者會逐條進行操作提示和考核[7]。系統全部由VC編寫，穩定快捷，對于各種操作系統平臺均有很好地支持[8]。

4 結論

仿真手術刀的應用，大大降低了醫生培訓中存在的風險，節約了大量的醫療成本，提高了醫生業務技術和操作水平，可以有效地緩解當前人體尸體教學標本日趨減少的問題，為醫院今后開展各種新技術、新業務的預演討論、可行性認證提供了新的途徑[7-8]。相信通過研究者不懈努力，將逐步實現虛擬現實技術在醫院臨床醫療中開展相關測試和手術教學試驗，將其應用于手術培訓、手術預演、臨床診斷、遠程干預、醫學輔助教學等各個環節，不遠的將來，仿真手術刀會越來越完善，并且更多的手術器械會被模擬出來，為醫生的培訓教學工作和手術器械的研制提供大力支持和幫助。

志謝

本研究得到了華中科技大學生命科學院生物醫學工程系丁明躍教授的指導和幫助。

[1]黎健偉，任義軍，雷蕾，等.數字化三維重建技術在組織瓣臨床解剖教學中的應用[J].山東醫藥，2009，49（8）：15-17.

[2]周志永，韓勇，李文慶，等.虛擬海洋環境中碰撞檢測的研究與實現[J].計算機技術與發展，2011，21（4）：25-28.

[3]臧愛云，原魁.基于真實切割的虛擬手術中力覺模型建模方法研究[J].中國體視學與圖像分析，2004，9（2）：114-119.

[4]羅偉，田夫，李珊珊，等.虛擬現實技術在醫學中的應用[J].中華醫院管理雜志，2005，21（12）：837-838.

[5]聶濱，曾照芳.基于虛擬現實技術的醫學實驗室的構建研究[J].西北醫學教育，2006，14（1）：11-13.

[6]Andries van D，Henry F，Sascha B，et al.Immersive Electronic Books for Teaching Surgical Procedures.Pre-I CAT CREST Symposium on Telecommunication，Teleimmersion，and Telexistence[D].Tokyo：The University of Tokyo，2002.

[7]陳新庚，馬長生，孫文濤.基于Vega的導彈防御仿真系統研究[J].計算機仿真，2011，28（1）：59-62.

[8]Shreiner D，Woo M，Neider J，et al.Open GL編程指南[M].4版.鄧鄭祥，譯.北京：人民郵電出版社，2005：43-47.