基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的先天性心臟病手術(shù)模擬器開發(fā)與評估

黃海平

（肇慶醫(yī)學高等專科學校人文學院，廣東 肇慶 526000）

0 引 言

先天性心臟病（CHD）是指在胎兒發(fā)育過程中由于各種原因?qū)е碌男呐K結(jié)構(gòu)異常，是一類常見的出生缺陷，全球約占新生兒出生缺陷的28%［1］。 根據(jù)病變類型和嚴重程度的不同，治療方法也有很大差異。 在許多情況下，手術(shù)是治療先天性心臟病的首選方法［2］。 然而，手術(shù)治療具有一定的風險，且對醫(yī)生的手術(shù)技能和經(jīng)驗要求極高。 隨著醫(yī)學技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在手術(shù)培訓和技能提高方面顯示出巨大潛力。

虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)是一種通過計算機生成的三維虛擬環(huán)境，能夠為用戶提供身臨其境的體驗［3］。 近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是在手術(shù)培訓、疼痛管理和康復(fù)治療等方面取得了顯著成果［4］。 基于虛擬現(xiàn)實的手術(shù)模擬器可以為醫(yī)生和醫(yī)學生提供一個低風險、高保真的手術(shù)訓練環(huán)境，有助于提高手術(shù)技能和減少手術(shù)并發(fā)癥［5］。

本研究旨在開發(fā)并評估一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的先天性心臟病手術(shù)模擬器。 研究希望通過這一模擬器為醫(yī)生和醫(yī)學生提供一個有效的手術(shù)訓練平臺，從而提高手術(shù)成功率和降低并發(fā)癥發(fā)生率。 為了實現(xiàn)這一目標，將分析不同類型的先天性心臟病，設(shè)計相應(yīng)的虛擬手術(shù)環(huán)境，并評估模擬器的有效性和可靠性。 此外，還將探討如何優(yōu)化交互界面和用戶體驗，以利于用戶能夠在虛擬環(huán)境中更自如地執(zhí)行手術(shù)操作。

1 資料與方法

1.1 設(shè)計原則與目標

在設(shè)計和開發(fā)先天性心臟病手術(shù)模擬器時，研究遵循以下原則：

（1）高度仿真，以提供逼真的手術(shù)環(huán)境；

（2）低成本，以便廣泛應(yīng)用于醫(yī)學教育和培訓；

（3）易于使用，以降低學習成本；

（4）可擴展性，以適應(yīng)不斷發(fā)展的醫(yī)學技術(shù)。

本研究的目標是開發(fā)一種基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的先天性心臟病手術(shù)模擬器，用來提高醫(yī)生和醫(yī)學生的手術(shù)技能。

1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)選型

本研究選擇了兼具高保真和高性價比的頭戴式顯示設(shè)備（HMD）作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)方案。 HMD 可以實現(xiàn)沉浸式體驗，讓用戶感覺自己身處手術(shù)環(huán)境中［6］。 此外，還使用了高精度的定位系統(tǒng)和手部追蹤設(shè)備，以實現(xiàn)精確的手術(shù)操作控制。

1.3 具體實現(xiàn)方法

1.3.1 基于解剖學的心臟模型構(gòu)建

本研究采用了先進的三維建模技術(shù)和生物力學模型來構(gòu)建逼真的心臟解剖結(jié)構(gòu)。 首先，利用醫(yī)學影像數(shù)據(jù)（如CT、MRI）生成高質(zhì)量的心臟模型。 為了實現(xiàn)這一目標，采用了一種基于圖像分割的方法，通過識別和跟蹤不同組織結(jié)構(gòu)的邊緣，以生成精確的三維幾何模型。 接著，根據(jù)心臟生物力學特性，為模型添加合適的材質(zhì)屬性，以實現(xiàn)組織切割、縫合等操作的真實感。 在這個過程中，采用了非線性彈性材料模型來描述心臟組織的力學特性。 考慮組織間的摩擦和粘附作用，通過引入柯依塔（Coulomb）摩擦模型和接觸粘附力模型，增強模擬器的真實感。

1.3.2 手術(shù)器械與手術(shù)操作的建模

本研究針對常見的心臟手術(shù)器械（如手術(shù)刀、鉗子、縫合針等）進行了詳細的三維建模，并賦予了適當?shù)奈锢韺傩裕缳|(zhì)量、彈性和摩擦系數(shù)等。 為了提高手術(shù)操作的真實感，還對手術(shù)器械的關(guān)節(jié)和運動范圍進行了精確的設(shè)置，使其能夠更好地模擬實際手術(shù)中的操作。 此外，還模擬了手術(shù)操作過程中的約束和碰撞反饋，例如器械與組織之間的碰撞檢測和力反饋，以增強手術(shù)操作的真實感。

1.3.3 手術(shù)過程的動態(tài)模擬

本研究利用物理引擎實現(xiàn)了手術(shù)過程中的動態(tài)模擬。 在切割、縫合等操作過程中，物理引擎會實時計算組織的應(yīng)力和變形，以呈現(xiàn)出手術(shù)操作對心臟組織的影響。 為了實現(xiàn)這一目標，采用了有限元分析（FEA）技術(shù)，能夠在復(fù)雜的幾何形狀和材料屬性下精確計算力學響應(yīng)。 此外，模擬器還模擬了血流動力學，為手術(shù)操作提供更真實的視覺效果和生物力學反饋。 為了實現(xiàn)這一目標，研究采用了計算流體動力學（CFD）方法，能夠模擬血液在心臟內(nèi)部和外部的流動特性。 通過結(jié)合有限元分析和計算流體動力學，本文提出的模擬器可以在手術(shù)操作過程中提供連貫且逼真的生物力學和視覺反饋。

1.3.4 交互界面與用戶體驗設(shè)計

為了提供更自然的手術(shù)操作體驗，本研究設(shè)計了一套直觀的交互界面，使用手部追蹤設(shè)備實現(xiàn)對手術(shù)器械的精確控制。 同時，通過振動反饋裝置，用戶可以在操作過程中感受到切割、縫合等動作的觸覺反饋。 此外，進一步優(yōu)化了視覺呈現(xiàn)和聲音效果，以提高用戶的沉浸感和手術(shù)操作的真實感。

1.4 模擬器評估方法

1.4.1 評估目標與標準

本研究的評估目標是驗證基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的先天性心臟病手術(shù)模擬器對提高醫(yī)生和醫(yī)學生手術(shù)技能的有效性。 將根據(jù)以下標準進行評估：手術(shù)操作的準確性；手術(shù)操作的時間效率；參與者對模擬器的滿意度；參與者手術(shù)技能的改善程度。

1.4.2 觀察組和對照組

本實驗的參與者分為2 組。一組為具有一定手術(shù)經(jīng)驗的心臟外科醫(yī)生（n ＝20），另一組為正接受心臟外科培訓的醫(yī)學生（n ＝20）。 所有參與者在實驗前都需要簽署知情同意書。

1.4.3 實驗流程與任務(wù)

實驗分為3 個階段：預(yù)實驗階段、實驗階段和后實驗階段。 在預(yù)實驗階段，參與者需完成一份關(guān)于手術(shù)經(jīng)驗和背景信息的問卷。 接著，參與者將接受關(guān)于模擬器操作的培訓。

在實驗階段，每位參與者需在模擬器中完成2個先天性心臟病手術(shù)任務(wù)，分別是：完整性心內(nèi)膜墊修補術(shù)；法洛四聯(lián)癥手術(shù)。 每位參與者需在模擬器中完成2 輪手術(shù)操作。

在后實驗階段，參與者需完成一份關(guān)于模擬器滿意度的問卷，并接受關(guān)于手術(shù)操作的反饋。

1.4.4 數(shù)據(jù)收集與處理

將收集以下數(shù)據(jù)：

（1）手術(shù)操作的準確性數(shù)據(jù)，如組織切割深度、縫合位置等；

（2）手術(shù)操作的時間效率數(shù)據(jù)，如完成任務(wù)所需時間；

（3）參與者對模擬器的滿意度評分；

（4）模擬器操作前后參與者手術(shù)技能的評估分數(shù)。

1.4.5 統(tǒng)計學分析

將采用描述性統(tǒng)計分析和推斷性統(tǒng)計分析方法來分析實驗數(shù)據(jù)。 首先，將計算各項指標的平均值和標準差。 接著，將使用獨立樣本t檢驗比較2 組參與者在各項指標上的表現(xiàn)差異。 此外，還將使用成對樣本t檢驗比較參與者在模擬器操作前后手術(shù)技能的改善程度。

2 實驗結(jié)果

2.1 參與者手術(shù)技能的提高

實驗結(jié)果顯示，在模擬器操作后，醫(yī)生組和醫(yī)學生組的手術(shù)技能評估分數(shù)均有顯著提高（詳細數(shù)據(jù)見表1，p ＜0.05），說明虛擬現(xiàn)實技術(shù)在提高先天性心臟病手術(shù)技能方面具有潛力。 此外，醫(yī)學生組的技能提高幅度高于心臟外科醫(yī)生組，表明模擬器對醫(yī)學生手術(shù)技能培訓的作用尤為明顯。

表1 參與者手術(shù)技能評估分數(shù)（滿分為100）Tab. 1 Participants′ surgical skill assessment scores （full score is 100）

2.2 模擬器在不同手術(shù)類型的適用性評估

通過對參與者在2 個不同手術(shù)任務(wù)（完整性心內(nèi)膜墊修補術(shù)和法洛四聯(lián)癥手術(shù)）的表現(xiàn)進行比較（詳細數(shù)據(jù)見表2、表3），分析發(fā)現(xiàn)模擬器在處理不同類型的先天性心臟病手術(shù)時都具有較好的適用性。 然而，針對一些更復(fù)雜的手術(shù)類型，如罕見的先天性心臟病，模擬器可能需要進一步優(yōu)化以滿足特定手術(shù)操作的需求。

表2 參與者手術(shù)操作準確性評分（滿分為10）Tab. 2 Scores surgical operation accuracy of participants（full score is 10）

表3 參與者手術(shù)操作時間效率Tab. 3 The efficiency of surgical operation time of participants min

2.3 模擬器的優(yōu)缺點分析

本研究開發(fā)的模擬器具有以下優(yōu)點：

（1）高度仿真的手術(shù)環(huán)境和操作；

（2）靈活的手術(shù)類型選擇和個性化設(shè)定；

（3）低成本且易于普及。

然而，模擬器也存在一些局限性：

（1）虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身的局限，如視覺延遲、頭戴式顯示設(shè)備的舒適度；

（2）部分組織材料屬性和生物力學模型可能尚不完善，影響了手術(shù)操作的真實感；

（3）由于硬件限制，模擬器在處理大量數(shù)據(jù)和復(fù)雜計算時可能出現(xiàn)性能瓶頸。 參與者對模擬器的滿意度評分可參見表4。

表4 參與者對模擬器的滿意度評分（滿分為5）Tab.4 Participants＇satisfaction ratings on the simulator （full score is 5）

3 討 論

前人的研究表明，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在手術(shù)模擬和培訓中具有一定的應(yīng)用價值，但在先天性心臟病領(lǐng)域的相關(guān)研究仍相對有限［7］。 一些研究已經(jīng)探討了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在先天性心臟病手術(shù)的教育和技能培訓中的作用［8－9］，但尚未涉及到系統(tǒng)性的評估和針對不同醫(yī)生和醫(yī)學生群體的應(yīng)用。

本文的結(jié)果表明，本次研究成功開發(fā)了一款基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的先天性心臟病手術(shù)模擬器，并通過實驗驗證了其在提高醫(yī)生和醫(yī)學生手術(shù)技能方面的有效性。 本研究發(fā)現(xiàn)，使用該模擬器進行培訓的參與者在手術(shù)技能評估分數(shù)上均有顯著提高，特別是對于醫(yī)學生群體。 此外，模擬器在處理不同類型的先天性心臟病手術(shù)時都表現(xiàn)出較好的適用性。

本文結(jié)果與前人結(jié)果的比較表明，本次的研究在先天性心臟病手術(shù)培訓領(lǐng)域取得了較大的進步。與之前的研究相比，本研究開發(fā)的模擬器在手術(shù)操作的真實感、靈活性和適用性方面均有明顯優(yōu)勢［10］。 此外，本次研究的實驗設(shè)計更加嚴謹，涵蓋了不同經(jīng)驗水平的醫(yī)生和醫(yī)學生，有助于評估模擬器對不同群體的實際效果。

仿真結(jié)果表明，本研究為先天性心臟病手術(shù)培訓的創(chuàng)新方法提供了有力支持，并有望推動虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的進一步應(yīng)用。

4 結(jié)束語

盡管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些局限性，如虛擬現(xiàn)實技術(shù)本身的局限、部分組織材料屬性和生物力學模型的不完善等。 針對這些問題，未來研究可以從以下幾個方面進行改進：

（1）尋求更高性能的硬件設(shè)備，提高模擬器的計算能力和響應(yīng)速度；

（2）改進生物力學模型和組織材料屬性，增強手術(shù)操作的真實感；

（3）開發(fā)更多的手術(shù)類型和病例，滿足不同醫(yī)生和醫(yī)學生的培訓需求；

（4）探索將模擬器與遠程教育和協(xié)作系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)分布式手術(shù)培訓和專家指導(dǎo)。 通過這些改進，有望為醫(yī)學教育和醫(yī)療行業(yè)帶來更多實質(zhì)性的貢獻。