基于虛擬現實技術的腹腔鏡操作培訓系統的研制

羅偉，吳明燦

1.荊州市第一人民醫院 生物醫學工程實驗室，湖北 荊州 434000；2.長江大學臨床醫學院，湖北 荊州434000

0 前言

隨著醫療事業的迅速發展，外科手術教學已成為一項重要的培訓內容。為了培養更多更好的醫學人才，基于虛擬現實技術的仿真手術、虛擬內窺鏡檢查和模擬介入手術等逐步成熟。虛擬現實技術（Virtual Reality Technology,VRT）利用計算機生成一種模擬環境，通過多種傳感設備使受訓者沉浸到該環境中，實現受訓者與該環境的自然交互[1-2]。本文闡述了基于虛擬技術的腹腔鏡模擬培訓裝置的研制方法，該裝置可使受訓者在虛擬的環境下接觸到各種逼真、復雜的三維虛擬人體組織，在仿真的環境下學習腹腔鏡手術。

1 虛擬現實技術的醫學教學應用

如今，醫學教學中已經引入了虛擬手術技術，在國內外得到了廣泛應用，例如美國波士頓力學研究中心利用偏振眼鏡觀看場景、虛擬手術器械模擬操作等。在國內，大部分的研究工作集中在對醫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學圖像三維可視化算法研究領域取得了較大的成果。華中科技大學于2000年在鐘世鎮教授的帶領下構建“虛擬人”，在人體器官虛擬建模方面取得了很大進步，實現了醫學模型360°旋轉和任意倍數的縮放，還可以自由觀察模型的內部結構等[3-4]。

本研究將我院圖片存檔與通訊系統（PACS）中的醫學影像圖片進行三維重建，改變醫學模型不能全方位旋轉和縮放的問題，再將三維模型傳送到虛擬現實手術教學軟件中，使得醫師可以從不同的角度對手術對象進行觀察，同時該模型還具備各種生理屬性，能夠讓受訓者有身臨其境的感受。

2 虛擬腹腔鏡培訓系統的研制

參考電子腔鏡手術的器械實物模型，利用計算機圖像三維重建算法和虛擬現實技術構建模擬訓練系統。首先，在計算機軟件中構建虛擬人體腹腔的立體模型，訓練操作者對腹腔鏡的基本操作技術；其次，為了使訓練裝置更接近臨床手術實際情況，制作了手術用人體器官模型，如肝臟模型、闌尾切除模型、腹腔外觀模型等。操作者可以在這些模型上完成不同手術操作，掌握相應技能。

2.1 模型的設計與制作

模型主要以特制塑料框架作為內部支撐，用高仿人體硅膠覆蓋框體表面作為人體皮膚。模擬人體腹腔的外觀，見圖1。在腹腔內放置體感應器，利用Kinect體感裝置，進行姿態動作紅外模擬定位，同時利用力反饋儀將手術器械連接在一起，對80 cm×80 cm范圍內的物體移動情況進行三維坐標跟蹤。同時，在模擬腹腔中放置LED光源作為腹腔鏡的冷光源系統，可照射不同的手術野。體內安裝1000萬像素微型攝像機并與計算機的視頻采集卡相連，通過視頻采集軟件將模擬腹腔內的情況以影像的形式展現在電視屏幕上。受訓者通過觀看屏幕圖像、利用預力反饋腔鏡手術模擬器械完成雙手互動手術技能的訓練及操作。訓練實況，見圖2。

圖1 硅膠人體腹腔模型外觀示意圖

圖2 受訓者練習虛擬腹腔鏡手術

2.2 三維建模

2.2.1 虛擬腹腔構建

通過虛擬現實軟件，重建人體腹腔模型。利用PACS中的CT、MRI數據，進行三維重建處理，形成虛擬腹腔模型，并將其導入虛擬手術系統應用軟件的數據庫中。

2.2.2 手術模型構建

按照腹腔鏡手術的要求，在虛擬手術系統中重建了手術器械的三維模型，并通過貼圖形成逼真的器械模型。系統采用五維力反饋設備進行運動控制，聯動操作手柄與系統控制的模型標志位。受訓者雙手控制器械做腹腔鏡手術時，可實時觀察顯示屏上的虛擬手術場景變化，還可感受到真實的手術手感。虛擬腹腔鏡操作界面，見圖3。

圖3 虛擬腹腔鏡操作界面

2.3 常見手術考核評估模型

腹腔鏡外科手術不同于傳統外科手術，要通過特殊器械經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而不能只憑借手的直接感知來指導操作。這就要求術者要通過適應屏幕及熟練地運用腹腔鏡手術器械來完成傳統手術中用手來完成的各種操作。通過設計一定的操作模型來規范各項操作并可對操作進行評估，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，表明手術不是特別成功。常見虛擬腹腔鏡技術操作模型的設計，見表1。

表1 常見虛擬腹腔鏡技術操作模型的設計

2.4 虛擬腹腔鏡操作系統優勢

腹腔鏡器械多為直線型，這使得醫師在操作時會感覺到手不能彎曲。而諸如打結等操作需要有不斷彎曲的動作，傳統的腹腔鏡手術操作方法不能滿足這些操作需求。而在虛擬手術的操作窗口界面上，對于模擬的人體器官操作者可以任意地改變操作視野和觀察角度，對于一些精細部位還可以通過增強圖像顯示來進行放大觀察。

3 結果

3.1 培訓標準化

通過運用虛擬腹腔鏡操作系統，教師授課可采用桌面電腦工作站進行互動教學；手術預演、遠程手術教學可采用醫學專家會議廳進行多媒體演示，操作起來一目了然，同時還增加了與專家互動的機會。此外，該系統還完善地提供了抓取、夾持、切割、注射、縫合等多種手術交互訓練方式，能夠在手術區域執行沖洗和抽吸的功能；實現了動脈血管的跳動、流血、夾持止血過程模擬及煙霧、蒸汽等特效仿真。

該系統利用網絡云技術可對大量的信息數據進行存儲和計算，縮短了系統的響應時間，同時滿足了大量受訓人員使用軟件系統的需求，并且解決了培訓地點和時間的差異問題[5-6]。手術培訓教師在培訓時可對所在班級的受訓人員進行全程實時監控，可以在同一時間進行屏幕分屏顯示，通過任何一個操作窗口都可看到受訓人員的實際操作情況，還能通過語音系統，對相關操作進行解說和提示。同時，受訓人員每次在模擬器上的操作情況和成績都被記錄在系統后臺數據庫中，便于教師分析和查閱。培訓系統還集成了一套多媒體手術考試系統，方便教師考評受訓人員的培訓效果。

3.2 培訓效果

選擇2009～2011年參加培訓的醫師，隨機分為兩組，每組各60名。實驗組采用虛擬手術操作系統進行教學，對照組使用傳統方法進行教學。兩組操作考核成績結果，見表2。兩組考核成績均有統計學差異（P<0.05），表明實驗組的培訓效果優于對照組。

表2 2009～2011年虛擬操作系統醫師平均成績對比表（分）

4 討論

虛擬手術操作可以使醫生完全沉浸在虛擬手術場景中，通過視、聽、觸覺等多種感知學習和掌握各種實際操作技術[7-8]。腹腔鏡訓練系統具有零風險、多重復性、自動指導的優點，可高效提高學習者的手術及其他操作的技能水平。此外，該系統還可以對學生做出綜合評價，對受訓醫生進行評價考核，為醫學手術培訓提供教學平臺，完善了考核培訓者和受訓者的一體化綜合評估管理，具有良好的應用價值，值得在臨床教學中推廣。

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