用于臨床技能培養的口腔顱頜面數字化虛擬手術平臺的建立與應用

張楚茜 回文宇 林艷萍 吳錦陽 陳士行 楊成帥 劉念 張勇 張詩雷

口腔顱頜面區域解剖結構復雜，手術操作要求精準、微創，需要進行大量的學習及操作訓練[1]。傳統的手術教學主要通過書本或多媒體的文字講解、CT/MRI等影像數據及手術錄像的展示，配合尸體頭顱的解剖訓練，但這種方式不夠直觀，缺乏沉浸感，且尸頭解剖成本較高，手術操作無法重復[2]，更無法多次進行手術模擬及規劃。同時，口腔顱頜面手術多在口腔內進行，或采用局部的微小切口，視野狹窄，手術教學難度較高。與傳統的教學方法相比，基于虛擬現實（Virtual Reality，VR）的手術平臺可反復多次虛擬解剖，且視野清晰，是更加有效的教學方式[3-4]。

我們針對口腔顱頜面科手術操作復雜、教學難度較大的特點，自主研發了適用于醫學生及青年口腔顱頜面外科醫生的手術培訓軟件CMF Robot Plan，并對20名上海交通大學口腔醫學院的實習學生及青年醫師進行了手術模擬的教學及操作培訓，取得了良好的教學成果，具體報道如下。

1 材料與方法

1.1 建立口腔顱頜面外科虛擬手術平臺并驗證精度

口腔顱頜面外科虛擬手術系統主要包括醫學圖像的處理、手術器械的可視化及外科手術的虛擬與仿真三部分。在軟件建立完成后，與廣泛應用于臨床的商業化軟件 SimPlant 11.04（Materialise公司，比利時）進行對比，驗證其精度。

1.1.1 醫學影像數據的處理及三維建模

醫學圖像的處理及三維重建是虛擬手術實現的基礎，本研究采集正常人的全頭顱CT（64層螺旋CT，層厚1.25 mm，顱頂-舌骨水平），利用MC（Marching Cubes）面繪制算法，結合漸近線判別法，生成相應組織的三角面片模型，對三角面片網格模型進一步進行光照渲染，即可得到滿足口腔顱頜面外科虛擬手術軟件需要的三維幾何模型（圖1）。

圖1 CT數據三維重建的光照渲染顯示Fig.1 Light rendering of 3D reconstruction of CT data

1.1.2 手術器械的可視化

為了更加真實地模擬手術，就需要在虛擬手術平臺上實現手術器械的可視化，通常用于手術操作的器械有來復鋸、鉆針及磨頭等。

選取口腔顱頜面外科截骨切割所用的鋸片、鉆針等，置于天遠三維掃描儀 OKIO-Ⅱ下進行非接觸式掃描，測量精度0.02 mm，獲取手術器械的點云數據，運用反求構建法實現器械的三維重建，導出為STL格式文件，即可被軟件識別（圖2）。進行虛擬手術操作時，可根據不同的術式選擇導入不同的手術器械，模擬真實的手術環境。

圖2 手術器械可視化的建立Fig.2 Establishment of surgical instrument's visualization

1.1.3 外科手術的虛擬與仿真

根據口腔顱頜面外科手術的具體臨床操作，進行常用術式的模塊設計，包括頜骨腫瘤的切除、正頜手術及種植手術等。要完成這些手術需要實現場景視角的轉換與放大縮小、手術區域的分割、頜骨的移動等功能。

通過在虛擬手術軟件中建立模型坐標系、世界坐標系、觀察坐標系及屏幕坐標系之間的矩陣轉換，以實現選中區域的視圖調整，即視角的切換與縮放。根據病變的范圍及解剖標志選取操作區域，通過切割功能模擬截骨、腫瘤分離（圖3）等，分割結束后，可對任意區域進行旋轉、移動及移除等操作（圖4）。

圖3 下頜骨腫瘤切除手術模擬Fig.3 Simulation of mandibular tumor resection surgery

圖4 上頜骨LefortⅠ型截骨模擬示意Fig.4 Simulation of the LefortⅠosteotomy of the maxillary

1.1.4 口腔顱頜面外科虛擬手術系統的精度驗證

此部分將CMF Robot Plan與商業化軟件Sim-Plant 11.04（Materialise公司，比利時）進行對比精度驗證，測量的結果通過統計學分析檢驗，對軟件在二維線距和角度測量的一致性進行分析。

選取10例頜骨畸形患者的CT數據導入CMF Robot Plan及SimPlant 11.04虛擬手術軟件中，在頭顱CT側位斷層面選取鼻根點N、蝶鞍中心點S、上齒槽座點A，測量NA兩點之間的距離及SNA角度，以t代表 CMF Robot Plan測量組，r代表Sim-Plant 11.04測量組，利用統計學軟件 SPSS對兩組數據（表1）進行組內相關系數檢驗、差值正態性檢驗及Bland-Altman統計分析。

1.2 虛擬手術手術教學及操作培訓

選擇20名上海交通大學口腔醫學院實習學生或剛進入?？漆t師培訓基地的年輕醫生進行手術模擬的教學及操作培訓。教學分為兩組進行，10人一組，由兩名經驗豐富的高級職稱顱頜面外科專家進行手術模擬的教學講解及示范操作。操作分為4組進行，每組5人，每組均有兩名已經過軟件培訓、操作熟練的外科醫生進行現場指導。每位學員都在虛擬手術平臺進行從模型三維重建到模擬截骨、移動一系列的操作流程，操作分為頜骨腫瘤切除、Le FortⅠ型截骨、雙側下頜骨矢狀劈開、頦成型手術4個模塊。操作完成后，由兩位專家對受訓醫師的手術方案進行評估，分析不足的原因，經多次實踐后達到手術模擬訓練的目的。

表1 實驗組與對照組的測量數據Table 1 The measurement data of experimental group and control group

2 結果

我們自主研發了虛擬手術軟件CMF Robot Plan，并獲得了計算機軟件著作權 （登記號：2018SR229646）。與廣泛應用于臨床的商業化軟件SimPlant 11.04進行精度一致性驗證，線距及角度的誤差分析顯示，所有點都在95%的一致線內，兩者在線距、角度的測量功能上一致性較好（圖5）。

圖6 誤差分析圖Fig.6 Error analysis chart

該軟件為醫學生及青年醫生提供了一個仿真的手術環境，基本滿足口腔顱頜面外科常用手術的模擬，操作簡便，能實現對受訓者手術規劃的教學及培訓。受訓的20名實習學生或青年醫生經過簡單的培訓后，均能順利進行系統的操作，對教學術式的理解及操作熟練度均有所提升。

3 討論

對學習者的臨床技能培訓是保證醫療質量的重要環節?？谇伙B頜面部區域分布有大量重要的血管、神經網絡，且面部手術對美觀的要求較高，由于操作不熟練或缺乏經驗造成的醫療差錯會對患者的功能及心理造成嚴重的創傷。美國每年因醫療失誤導致的死亡人數為44 000～94 000，而大部分醫療失誤是因創傷性的人為因素引起的[5]。2013年，世界衛生組織估計全球約有1 740萬醫療專業人員短缺，傳統的教學模式效率低下、資源浪費較多，已不足以向所有學習者提供統一的、高質量的醫療培訓[6-7]。

數字化教學是通過數字技術進行教學和學習的行為，在培訓時間和地點上有較大的靈活性，可涵蓋更多的受眾，且可重復性較高[7]。虛擬現實即是數字化教學的手段之一，是一種允許用戶實時探索和操縱計算機生成的三維多媒體感知環境的技術[8]。近年來，虛擬現實技術已經逐漸應用于醫學領域，其中主要用于外科手術的培訓。

在口腔顱頜面外科領域，已有研究聚焦于虛擬手術教學及模擬訓練方面。Sohmura等[9]運用虛擬手術設備模擬了正頜外科的骨切割，該裝置允許外科醫生在手術前進行訓練以提升手術的熟練度；Pohlenz等[10]設計了一種適用于牙科手術的模擬器Voxel-Man，并讓53名學生進行了根尖切除手術模擬訓練，表明模擬器的力反饋系統、三維圖像感知等對牙科手術的學習是有效的；Pulijala等[11]開發并驗證了一種沉浸式虛擬現實Le FortⅠ截骨術訓練工具，證實該系統可以較好地滿足臨床醫生的手術教學需要，使學習者快速、直觀地學習解剖結構。以上研究均表明了虛擬手術平臺在口腔顱頜面外科教學和訓練中的積極作用。但上述的虛擬手術系統大部分只對應單一的手術模式，無法滿足多變的手術需求，且不具備手術規劃功能，商業化軟件（如Surgicase、Proplan等）部分功能端口不開放，費用昂貴，無法滿足大規模臨床技能培訓的需求。

本研究自主研發了一套包含多種手術操作的口腔顱頜面外科虛擬手術模擬軟件CMF Robot Plan，該軟件具有開放式端口，可以整合于其他系統（如手術機器人等），有較為廣泛的臨床應用范圍。我們利用該軟件對20名青年醫生或實習生進行了手術模擬培訓。這些受訓者均沒有真正的手術經驗，僅進行了軟件培訓和虛擬手術練習。從反饋的信息發現，該軟件可幫助受訓者精準診斷、熟悉手術方式并進行手術效果的預判，為外科手術的初學者提供了良好的教學體驗。與傳統的教學方法相比，利用虛擬手術平臺進行教學更有沉浸感和交互性，且可以針對每次實踐發現的問題和感興趣的手術類型進行反復練習，多數認為手術模擬訓練對提升手術規劃能力及臨床技能是有益的，這與多數的報道相符[10，12-14]。

雖然本研究已顯示了一定的教學應用效果，但存在以下問題：①虛擬手術軟件CMF Robot Plan與國外運用于口腔顱頜面外科的商業化虛擬手術軟件相比，功能模塊尚顯不足，僅具備簡單手術的模擬功能，無法將腓骨、肋骨等stl文件導入軟件進行精確的修復重建手術規劃；②軟件可選擇的手術器械有限，與實際手術所用的器械還有較大的差別，對學員熟悉及選擇實際手術中的器械幫助有限；③無法在三維立體空間上進行三維線距、角度的測量，且精度還有待進一步驗證；④教學實驗比較簡單，要進一步證明虛擬手術平臺的有效性還需更為嚴謹的實驗。

綜上所述，本研究自主研發的虛擬手術軟件CMF Robot Plan已具備了對口腔顱頜面外科基本手術操作的模擬規劃及教學功能，并初步證明了虛擬現實技術在臨床技能培訓中的有效性。虛擬現實手術培訓解放了傳統教學對地點的限制，縮短了教學時間，可提供實時反饋，針對不足可反復練習。在今后的研究中，可以逐漸完善虛擬手術平臺的各項功能，并進一步評估其在手術教學中的作用，有望將之納入常規外科培訓課程中，有較好的應用前景。