基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的宮腔鏡操作培訓(xùn)器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周云?吳明燦?羅偉

摘 要 目的 設(shè)計(jì)用于宮腔鏡操作和教學(xué)的模擬培訓(xùn)裝置，提高培訓(xùn)效果和質(zhì)量。方法 利用計(jì)算機(jī)三維仿真技術(shù)建模結(jié)合器械實(shí)物模型設(shè)計(jì)出虛擬培訓(xùn)裝置。結(jié)果 在2008年至2010年3年中，將每年參加培訓(xùn)的醫(yī)師隨機(jī)分為2組，每組各60名。實(shí)驗(yàn)組使用虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，對(duì)照組使用傳統(tǒng)手術(shù)教學(xué)，未使用虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。所得結(jié)果經(jīng)過統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，實(shí)驗(yàn)組操作考核成績顯著優(yōu)于對(duì)照組，p<0.05，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。結(jié)論 虛擬裝置提供的操作感受逼真，使用模擬宮腔鏡培訓(xùn)裝置可大幅提高參加培訓(xùn)醫(yī)師成績和操作水平。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 仿真技術(shù) 臨床教學(xué)

引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，通過多種傳感設(shè)備使用戶沉浸到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境自然交互的技術(shù)[1，2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有多感性、存在性、交互性、自主性特點(diǎn)[3～5]。目前與醫(yī)學(xué)相關(guān)的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用主要包括仿真手術(shù)、虛擬內(nèi)窺鏡檢查和模擬放射外科等。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用概述

虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真訓(xùn)練在與醫(yī)學(xué)相關(guān)的虛擬技術(shù)中是難度較大的一種。在手術(shù)訓(xùn)練領(lǐng)域較前沿的是美國波士頓力學(xué)研究中心，他們采用的方法是利用偏振眼鏡觀看場(chǎng)景、虛擬手術(shù)器械模擬操作。在國內(nèi)，大部分研究工作集中在對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的三維重建及其可視化等基礎(chǔ)技術(shù)方面，尤其在基于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的醫(yī)學(xué)圖像三維可視化算法研究領(lǐng)域取得較大的成果。華中科技大學(xué)從2000年開始構(gòu)建“虛擬人”，在人體器官虛擬建模方面取得很大進(jìn)步。實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)模型360°旋轉(zhuǎn)和任意倍數(shù)的縮放，還可以自由觀察模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)仿真訓(xùn)練是一種技術(shù)難度較大的應(yīng)用。與其它虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用相比，它要求虛擬產(chǎn)生多層次、多種形態(tài)、相聯(lián)關(guān)系復(fù)雜的三維虛擬人體組織；人機(jī)交互性強(qiáng)，要求定位和反饋精確度高。如何利用虛擬技術(shù)設(shè)計(jì)出一種宮腔鏡模擬培訓(xùn)裝置來解決臨床教學(xué)和培訓(xùn)的問題，成為亟待解決的難題。

筆者通過將原有的醫(yī)學(xué)圖片、物體，由二維圖像轉(zhuǎn)化為具有真實(shí)立體感的三維空間的模型，有效地解決醫(yī)學(xué)模型不能旋轉(zhuǎn)和縮放的瓶頸問題。再通過利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供的三維模型，受訓(xùn)者使用軟件時(shí)可以觀察醫(yī)學(xué)模型的立體全貌，就像在現(xiàn)實(shí)生活中觀察事物一樣，可以任意從各個(gè)方向和位置了解物體的特征和屬性。當(dāng)移動(dòng)物體時(shí)，物體也能依據(jù)一定的自然規(guī)律作相應(yīng)的動(dòng)作和位置變化，真正地具備事物本生的生理屬性，讓受訓(xùn)者得到一種身臨其境的真實(shí)感。

2 虛擬宮腔鏡培訓(xùn)模擬器的設(shè)計(jì)

采用電子腔鏡手術(shù)的器械實(shí)物模型，配合計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)和先進(jìn)的圖形三維重建算法，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建模擬訓(xùn)練裝置。通過三維重建技術(shù)構(gòu)建虛擬人體宮腔的立體模型，訓(xùn)練操作者的一些腹腔鏡操作基本技術(shù)而非整個(gè)手術(shù)過程。為使模擬器下的操作更加接近臨床實(shí)際手術(shù)，還可配套各種材料制作的手術(shù)訓(xùn)練模型，如子宮模型、子宮囊腫切除模型、宮腔模型等。這些模型都部分模擬手術(shù)實(shí)際情況，操作者可以在這些模型上完成相應(yīng)手術(shù)，通過在這些模型上的訓(xùn)練，受訓(xùn)者可以很快適應(yīng)和掌握這些手術(shù)。

2.1 模型的設(shè)計(jì)與制作

制作長、寬、高分別為35cm×35cm×30cm的訓(xùn)練箱（模擬人體腹腔，如圖1）。按照臨床手術(shù)方式在模擬人體腹腔上預(yù)留Trocar（穿刺錐）及攝影器械部位。模擬人體腹腔的上部為不透光的亞克力玻璃材質(zhì)，其目的在于使操作者無法直接觀察到操作，于模擬腹腔中放置普通光源作為腹腔鏡之冷光源系統(tǒng)，該光源可調(diào)節(jié)并可照射不同的手術(shù)野。以普通攝像頭代替腹腔鏡CCD攝像頭，固定于訓(xùn)練箱上，并與計(jì)算機(jī)之視頻采集卡相連。通過視頻采集軟件以影像的形式出現(xiàn)在電視的屏幕上。練習(xí)者自預(yù)留之穿刺孔插入腹腔鏡手術(shù)器械并可通過觀看屏幕，完成相關(guān)手術(shù)技術(shù)的訓(xùn)練及操作（如圖2、圖3）。

2.2 三維仿真建模

2.2.1 建立宮腔的三維模型 通過Virtools5.0軟件，對(duì)人體的宮腔模型進(jìn)行重建，采集相關(guān)的CT、MRI數(shù)據(jù)，進(jìn)行重建，然后將模型三維化，并植入開發(fā)的操作平臺(tái)系統(tǒng)軟件中。

2.2.2 設(shè)計(jì)手術(shù)器械的操作環(huán)境和相關(guān)模型 結(jié)合手術(shù)的要求和特點(diǎn)，對(duì)手術(shù)器械進(jìn)行三維模型的建立，經(jīng)過貼圖后形成真實(shí)的可操作模型器械，然后通過專門的力反饋設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特征定義，使之與實(shí)際的操作器械運(yùn)動(dòng)位置聯(lián)動(dòng)，形成逼真的操作感受。當(dāng)培訓(xùn)者在操作器械做宮腔鏡模擬手術(shù)時(shí)，可以實(shí)時(shí)看到虛擬手術(shù)宮腔模型的變化和手術(shù)效果。

2.3 基本手術(shù)操作模型及常見手術(shù)模型的設(shè)計(jì)

宮腔鏡外科手術(shù)之不同于傳統(tǒng)外科手術(shù)在于其通過特殊器械經(jīng)腹壁孔道間接地處理病灶，術(shù)者必須通過觀看二維的顯示屏來指導(dǎo)操作。不能直觀地看，不能用手直接感知。這就要求術(shù)者要適應(yīng)屏幕及熟練地通過腹腔鏡手術(shù)器械來完成傳統(tǒng)手術(shù)中用手來完成的操作。我們通過設(shè)計(jì)一定的操作模型來規(guī)范操作并可對(duì)操作進(jìn)行評(píng)估（表1）。如桔子撥皮操作、充水指套手術(shù)模型等。傳統(tǒng)的宮腔鏡手術(shù)模擬訓(xùn)練通常是一些簡單的縫合、結(jié)扎、切開操作，該操作方法枯燥，久而久之讓訓(xùn)練者失去練習(xí)興趣[6]。而手術(shù)訓(xùn)練模型則將各種常用手術(shù)操作融合于一個(gè)手術(shù)過程之中，增加操作的趣味性及可評(píng)估性。如囊腫手術(shù)模型中，若結(jié)扎闌尾根部不徹底，則操作中會(huì)有水流出，意味著手術(shù)不很成功。

2.4 宮腔鏡操作訓(xùn)練

宮腔鏡器械多為直線型的，而打結(jié)等操作需要不斷彎曲操作，且由于在平面的顯示屏幕上只能看到模擬腹腔內(nèi)器官的平面影像，看不到立體影像，難以判斷縱向深度，定位困難，因此，完成打結(jié)這個(gè)操作很費(fèi)時(shí)，也不方便，有時(shí)為打一個(gè)結(jié)，可以耗時(shí)達(dá)5分鐘，甚至更長。培訓(xùn)中實(shí)驗(yàn)組先在輸液管上訓(xùn)練各種打結(jié)方法，單結(jié)、方結(jié)、外科結(jié)等，更直觀地反映其存在的問題，縮短培訓(xùn)時(shí)間。

3 臨床應(yīng)用結(jié)果

3.1 培訓(xùn)形式和方法

宮腔鏡訓(xùn)練模擬器以一個(gè)箱體來模擬人體的宮腔，然后在箱體內(nèi)可以設(shè)置一定的手術(shù)模型，例如：桔子撥皮模型、小型實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型、軟管繞線打結(jié)模型、離體豬腸縫合模型來分別完成不同的手術(shù)操作項(xiàng)目，還采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)手術(shù)模型進(jìn)行三維建模，連接六自由度的力反饋設(shè)備，來實(shí)現(xiàn)手術(shù)的操作訓(xùn)練，使操作者獲得真實(shí)的訓(xùn)練感受。

為更好地達(dá)到宮腔鏡訓(xùn)練模型的培訓(xùn)效果，且更有針對(duì)性培訓(xùn)學(xué)生薄弱環(huán)節(jié)，特制作操作考核指標(biāo)。通過每項(xiàng)操作得分，可更直觀地反映其存在的問題。

培訓(xùn)授課采用桌面電腦工作站操作，在平時(shí)的教師授課時(shí)，多采用桌面電腦工作站操作，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)沉浸體驗(yàn)來進(jìn)行互動(dòng)教學(xué)；對(duì)于手術(shù)預(yù)演、遠(yuǎn)程手術(shù)教學(xué)時(shí)采用醫(yī)學(xué)專家會(huì)議廳多媒體演示，可以更好地實(shí)時(shí)互動(dòng)，操作起來一目了然，增加專家互動(dòng)的機(jī)會(huì)和途徑。

由于采用網(wǎng)絡(luò)云技術(shù)，大量的信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算，存儲(chǔ)于醫(yī)學(xué)院自建私有的云里，可以實(shí)現(xiàn)高速地存儲(chǔ)和分析，對(duì)于三維數(shù)據(jù)的計(jì)算和現(xiàn)實(shí)，縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)滿足大量受訓(xùn)人員使用軟件系統(tǒng)的需求，并且解決培訓(xùn)地點(diǎn)和時(shí)間的差異問題[3，4]，可以滿足足夠多的用戶在不同地點(diǎn)和不同實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，并行使用軟件的數(shù)據(jù)庫和其他操作。手術(shù)培訓(xùn)教師在培訓(xùn)時(shí)通過云技術(shù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)所在班級(jí)的受訓(xùn)者進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以在同一時(shí)間進(jìn)行屏幕多分屏顯示，進(jìn)入任何一個(gè)操作窗口都可看到學(xué)員操作的實(shí)際情況，還能通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)語音操作界面，對(duì)學(xué)員進(jìn)行解說和提示。與此同時(shí)，學(xué)員每次在模擬器上的操作情況和成績都被記錄在系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中，便于教師分析和查閱。

3.2 虛擬系統(tǒng)培訓(xùn)效果

選擇2008～2010年3年參加培訓(xùn)的醫(yī)師，每年學(xué)員隨機(jī)分為2組，每組各60名。實(shí)驗(yàn)組使用虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，對(duì)照組使用傳統(tǒng)手術(shù)教學(xué)，未使用虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。2組操作考核成績有顯著差異。見表2。

4 討論和結(jié)論

虛擬手術(shù)操作可以使醫(yī)務(wù)工作者沉浸于虛擬的場(chǎng)景內(nèi)，通過視、聽、觸覺感知等多種感官了解和學(xué)習(xí)各種手術(shù)實(shí)際操作[6]。由于宮腔鏡訓(xùn)練模擬器具有低代價(jià)、零風(fēng)險(xiǎn)、多重復(fù)性、自動(dòng)指導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，迅速高效地提高學(xué)習(xí)者手術(shù)及其他操作的技能。

通過對(duì)宮腔鏡手術(shù)設(shè)備投入成本也應(yīng)該加以控制，讓其物盡其用[7]。設(shè)計(jì)這種簡易訓(xùn)練模型成本低廉、取材容易、制作簡便、模擬逼真。能較好地訓(xùn)練醫(yī)學(xué)生掌握宮腔鏡手術(shù)的基本技能。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)訓(xùn)練方面的應(yīng)用展現(xiàn)出良好的前景。

宮腔鏡手術(shù)模擬訓(xùn)練器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用加入對(duì)學(xué)生做綜合的評(píng)價(jià)，提高其評(píng)價(jià)功能教學(xué)的深層次發(fā)展和全面評(píng)估[2，5]，為受訓(xùn)醫(yī)生進(jìn)行評(píng)分評(píng)價(jià)考核，為醫(yī)學(xué)院和教學(xué)醫(yī)院的培訓(xùn)醫(yī)學(xué)專家提供教學(xué)指南和考核培訓(xùn)者和受訓(xùn)者雙方質(zhì)量管理于一體的一系列綜合評(píng)估管理系統(tǒng)。打造無痛醫(yī)院開創(chuàng)微創(chuàng)手術(shù)，為醫(yī)院的手術(shù)教學(xué)工作提供新的途徑和手段。

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