腰椎穿刺手術模擬模型庫構建研究

李燕飛　王榮?！×窒肌⊥貘檪?/p>

摘 ?要：虛擬現實與三維建模技術在醫學手術模擬中的應用日漸廣泛。本文在研究腰椎穿刺手術流程的基礎上，歸納了腰椎穿刺手術模擬涉及的模型庫。參照真實的手術器械，使用3ds Max（三維建模軟件）對穿刺針、測壓管等腰椎穿刺常用手術器械及腰椎模型進行三維建模。所創建的模型庫可作為構建腰椎穿刺手術模擬系統的素材。文中給出了在一個腰椎穿刺手術模擬訓練原型系統中的應用示例。本文的工作也可為其他手術模擬模型庫的構建提供參考。

關鍵詞：腰椎穿刺;手術模擬;模型庫;三維建模

中圖分類號：TP391.9 ? ? 文獻標識碼：A

Study on Model Libraries Construction for Lumbar Puncture Surgery

LI Yanfei1， WANG Ronghai1-4， LIN Xia1， WANG Hongwei1-4

（1.Faculty of Mathematics and Computer Science， Quanzhou Normal University， Quanzhou 362000， China;

2.Fujian Provincial Key Laboratory of Data Intensive Computing， Quanzhou 362000， China;

3.Key Laboratory of Intelligent Computing and Information Processing， Fujian Province University， Quanzhou 362000， China;

4.Big Data Institute of Intelligent Manufacturing of Digital Fujian， Quanzhou 362000， China）

1601988993@qq.com; wrhai@163.com; 1225410770@qq.com;

923311075@qq.com; 804247260@qq.com; 2754908504@qq.com

Abstract： Virtual reality and 3D modeling techniques are widely used in medical surgical simulations. This paper summarizes the models involved in lumbar puncture surgical simulation based on the study of the lumbar puncture surgical procedures. With reference to the real surgical instruments， 3ds Max （a 3D modeling software） is used to model the common surgical instruments for lumbar puncture such as the puncture needle， the piezometer tube and the lumbar spine model. Their libraries are also sources for building lumbar puncture surgical simulation system. Examples using model libraries in a prototype training system for lumbar puncture surgery simulation are given in the paper. The study in this paper may also serve as a reference for the construction of other surgical simulation model libraries.

Keywords： lumbar puncture; surgery simulation; model libraries; 3D modeling

1 ? 引言（Introduction）

虛擬現實與三維建模技術在醫學領域得到越來越廣泛的應用。由于技術的進步已經直接轉化為增強受訓者的技能和提高患者的安全，醫務工作者對手術模擬訓練的興趣急劇上升[1]。手術模擬訓練系統取得良好效果的一個因素是在構建系統時有逼真的相關模型作為素材。早在2007年，就有研究者設計了一個分辨率為毫米級的三維計算機心臟模型用于模擬心臟手術過程中的熱傳導[2]。Antonio Coca等設計了用于白內障手術模擬的眼睛及若干相關的手術器械的三維模型[3]。Andrea Moglia等介紹了在血管手術的規劃、仿真和訓練過程中三維模型的使用[4]。葉秀芬等利用OpenGL（Open Graphics Library）建立了基于質點-彈簧模型的虛擬人體軟組織形變系統[5]。劉文苗等提出了基于Maya（三維建模軟件）的醫學虛擬實驗模型，在此基礎上創建了人體肌系統虛擬實驗模型[6]。李建宇等對利用核磁共振圖像數據進行醫學模型3D打印的方法進行研究[7]。郭健等提出了一種腦血管三維重建方法[8]?？梢娙S模型對手術模擬及其應用起著關鍵作用。本文對腰椎穿刺手術模擬涉及的模型庫進行研究。

2 ?腰椎穿刺手術模擬模型庫分析（Model libraries analysis of lumbar puncture surgery simulation）

腰椎穿刺術是醫學四大穿刺之一，常用于檢查腦脊液的性質，對診斷腦膜炎、腦炎、腦血管病變、腦瘤、脊髓病變等神經系統疾病有重要意義[9]。

2.1 ? 腰椎穿刺手術流程

腰椎穿刺術包括術前準備、確定患者體位、確定穿刺點、消毒、進針、抽液及拔針等步驟[9]，進針開始前及開始后的流程分別如圖1和圖2所示。圖1中的L2、L3、L4、L5是指椎骨的編號，L2—L3是指第2椎骨與第3椎骨之間。

2.2 ? 腰椎穿刺手術模擬模型庫構成

要構建腰椎穿刺手術模擬訓練系統，需要有模型庫作為素材，結合分析腰椎穿刺手術流程，手術模擬訓練系統所需的模型庫需要手術器械模型庫、人體及組織器官模型庫、虛擬場景相關模型庫等幾類，分述如下。

（1）手術器械模型庫。手術器械模型庫中核心是腰椎穿刺包中的器械，主要包括腰椎穿刺針、止血鉗、巾鉗、彎盤、消毒杯、標本容器、洞巾、紗布等[9]。此外還有用于麻醉的注射器，測量壓力的一次性測壓管等。

（2）人體及組織器官模型庫。人體及組織器官模型庫主要包括病患人體模型及腰椎模型。

（3）虛擬場景相關模型。虛擬場景相關模型包括病房、病床、腰椎穿刺座椅、手術推車等。

3 ?腰椎穿刺手術模擬模型構建（Construction of lumbar puncture surgery simulation models）

本文主要針對手術器械模型中的穿刺針、測壓管及腰椎模型在3ds Max中的三維建模進行討論。

3.1 ? 穿刺針三維建模

穿刺針由外部的管狀針頭和內部實心針頭，以及各自的頂部組成。穿刺針的三維建模主要是創建圓柱體和管狀體，步驟如下。

（1）制作穿刺針的外部，創建一個管狀體并轉為可編輯多邊形，在管狀體底部剪切出一個傾斜的角度，將剪切出來的一小部分刪除，形成針尖。

（2）創建一個圓柱體作為穿刺針頂部拿捏的部分，并將其轉為可編輯多邊形，高度為多段，將圓柱體頂部和底部的兩圈頂點選中，利用縮放功能將其放大，且底部要比頂部稍大一點。然后在右邊的欄目上選擇多邊形，在底部凸出部分上方選中部分截面，利用擠出功能使選中的截面凸出來，在凸出的部分增加一些線條，調整至其弧度較為自然為止。

（3）再創建一個比針頭稍大的圓柱體作為針頭與頂部結合的部分，將其底部縮小到針頭的大小，將管狀針頭與其頂部綁成組。

（4）內部的實心針頭部分制作方法與外部的管狀針頭類似，不同點在于實心針頭是用圓柱體，大小為外部管狀針頭的空心部分一樣大。內部實心針頭頂部拿捏的部分由一個圓柱體構成，將圓柱體轉為可編輯多邊形，在圓柱體的前后各以一個截面為準，把前后部分頂點選中后將其刪除，然后在這兩個平面上各增加一些線條使這兩個平面的中間有一個凹槽。

（5）創建一個小圓柱體作為內部針頭與其頂部相連的部分，其構建方法和外部針頭與其頂部相連部分一致，但大小比較小。

（6）穿刺針各部分做好后，將內部實心穿刺針移動到管狀穿刺針中，然后選擇材質并在貼圖中選擇位圖，找一張與針頭顏色、條紋相似的圖片對針頭進行貼圖，且將穿刺針外部拿捏部分設置為透明。

制作完成的穿刺針三維模型如圖3所示。

3.2 ? 測壓管三維建模

測壓管的三維建模主要是通過對創建圓柱體進行操作而形成，步驟如下。

（1）創建兩個圓柱體，將其中一個圓柱體分為多段，添加彎曲修改器，沿Z軸方向彎曲九十度，然后將其轉為可編輯多邊形，調整弧度部分。

（2）選中底部的頂點利用縮放功能將底部縮小作為測壓管的尖端。

（3）在圓柱體的頂部增加線條并用縮放功能將頂部放大形成一個有弧度的測壓管頂端。

（4）創建一個較小的圓柱體并轉為可編輯多邊形，根據測驗管頂部形狀調整出一個相同的形狀并放入其中，形成一根L型測壓管。

（5）將創建好的另一個圓柱體轉為可編輯多邊形，在右側欄目中選擇多邊形，點擊插入命令，在底部截面畫出一個較小的圓，再選擇擠出命令向下擠出部分，重復此動作直至形成測壓管底部的尖端為止。

（6）頂部的構建方法與L型測壓管的構建一致，將直型測壓管和L型測壓管的形狀做好后，選擇材質將兩根測壓管設置成為透明色。

制作完成的測壓管三維模型如圖4所示。

3.3 ? 腰椎模型三維建模

腰椎模型由多節椎骨組成，每節椎骨之間有一塊薄片骨頭，椎骨和這塊薄片的骨頭都是由圓柱體構成，模型制作的步驟如下。

（1）創建一個圓柱體并將其轉為可編輯多邊形，選中圓柱體頂部和底部的所有頂點，利用縮放功能使其比中間稍大，以Z軸為中心刪除一半，在修改板面添加對稱修改器對圓柱體兩側同時進行操作。

（2）使用移動功能將面向人體前端的圓柱體弧度向內凹陷，選中多邊形后選擇凹槽上部分的兩側截面，使用擠出命令擠出部分并向中間移動形成一個環狀體，然后再向前方擠出部分，將另一部分向兩側延伸，使用移動和縮放功能調整椎骨形狀。

（3）創建一個高度較小的圓柱體作為每節椎骨之間的薄片骨頭放置在椎骨下方，調整大小后將其與椎骨綁成一組。制作好的椎骨三維模型如圖5所示。

（4）將椎骨模型克隆多份，使用旋轉功能旋轉一定的角度后將多節椎骨相連，形成一根有弧度的腰椎。

制作完成的腰椎三維模型如圖6所示。

4 ?模型庫應用示例（Application examples using model Libraries）

制作完成的腰椎穿刺手術模擬模型庫可用于腰椎穿刺手術模擬訓練系統的創建，圖7是結合其他制作完成的模型導入Unity設計一個腰椎穿刺手術模擬訓練原型系統的場景示例。

圖8是原型系統中選擇手術器械的示例，受訓者在手術模擬時，需要選擇腰椎穿刺所需的正確的手術器械。

5 ? 結論（Conclusion）

虛擬現實技術在醫學領域中的應用不斷拓展，手術模擬訓練系統是其中的重要應用，手術模擬訓練系統的構建依賴于相關的模型庫。本文以腰椎穿刺手術模擬相關模型庫作為研究對象，分析了模型構成并給出若干主要模型的構建思路。后續將對模型進一步優化，并增加逼真度，為腰椎穿刺手術模擬訓練系統的構建提供更好的素材，同時為其他手術模擬訓練系統相關模型庫的構建提供參考。

參考文獻（References）

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[3] Coca A， Estevez H， Fernandez C， et al. Building 3D Models for Reconstructing a Virtual Cataract Surgery Haptic Simulation[C]. First International Conference on Technological Ecosystem for Enhancing Multiculturality （Teem'13）， 2013： 43-48.

[4] Moglia A， Di Franco G， Morelli L. Use of 3D models for planning， simulation， and training in vascular surgery[J]. Updates in Surgery， 2019， 71（1）： 185-186.

[5] 葉秀芬，喬冰，郭書祥，等.虛擬手術仿真中人體軟組織形變技術的研究[J].計算機應用，2009，29（02）：568-573.

[6] 劉文苗，楊雪，王麗，等.基于Maya技術的醫學虛擬實驗模型構建[J].實驗技術與管理，2011，28（04）：76-79.

[7] 李建宇，李志奎，高洪波，等.利用核磁共振圖像數據進行醫學模型3D打印的方法研究及在臨床中的應用[J].航空航天醫學雜志，2017，28（07）：781-783.

[8] 郭健，程宇航，郭書祥.腦血管三維重建及算法實現[J].哈爾濱工程大學學報，2019，40（04）：649-654.

[9] 陳紅，朱正綱，肖海鵬，等.中國醫學生臨床技能操作指南[M].北京：人民衛生出版社，2014：8-11.

作者簡介：

李燕飛（1994-），女，本科生.研究領域：虛擬現實.

王榮海（1972-），男，碩士，副教授.研究領域：虛擬現實，移動互聯網，軟件工程.本文通訊作者.

林 ? 霞（1996-），女，本科生.研究領域：虛擬現實.

王鴻偉（1980-），男，碩士，講師.研究領域：虛擬現實，數據挖掘，電子商務.