可視耳模擬器在顳骨解剖虛擬訓(xùn)練中的應(yīng)用

黃孝文 余洋 周良強(qiáng) Sorensen MS Mosegaard J Noe K Mikkelsen PT

·技術(shù)與方法·

可視耳模擬器在顳骨解剖虛擬訓(xùn)練中的應(yīng)用

黃孝文1余洋1周良強(qiáng)1Sorensen MS2Mosegaard J3Noe K3Mikkelsen PT3

眾所周知，顳骨空間構(gòu)造復(fù)雜，其內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)與面神經(jīng)、中后顱底以及頸內(nèi)動靜脈等有著十分密切的關(guān)系。為了安全有效地施行手術(shù)和不斷提高手術(shù)技能，耳外科醫(yī)生必須熟知正常顳骨內(nèi)部的解剖結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系，并且要在真實(shí)的解剖環(huán)境中進(jìn)行手術(shù)操作模擬練習(xí)。人類顳骨標(biāo)本無疑是解剖手術(shù)訓(xùn)練最好的模型，但由于各種原因，目前在全世界范圍內(nèi)可用于該目的的人類顳骨資源十分有限，遠(yuǎn)不能滿足耳外科教學(xué)與訓(xùn)練的需求，許多耳科醫(yī)師也不能參加實(shí)體顳骨的解剖與手術(shù)訓(xùn)練［1］。隨著數(shù)字成像技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)步，近年來世界各國相繼出現(xiàn)了一些計(jì)算機(jī)虛擬的交互式顳骨模型，為顳骨解剖教學(xué)與手術(shù)訓(xùn)練提供了新的輔助工具［2，3］。但是，由于這類模型大多是以臨床CT或者M(jìn)R影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立起來的，它們普遍存在某些不足，例如，除了組織缺乏自然的色彩和紋理、不能分辨軟組織成份之外，由臨床影像重建而得的三維影像分辨率平均僅8～25體素／mm3，最高不超過50體素／mm3，因此，圖像質(zhì)量較差；此外，這類模擬器軟件的使用受制于苛刻的條件，而且還必須配置昂貴的硬件，如：整合有觸覺交互設(shè)備的模擬器平臺、高級立體目鏡、腳踏開關(guān)、鏡像投射屏甚至特制計(jì)算機(jī)等，才能進(jìn)行模擬手術(shù)操作；這些缺陷顯然限制了這類虛擬模型在顳骨手術(shù)訓(xùn)練中的廣泛應(yīng)用［］。

哥本哈根大學(xué)Rigs醫(yī)院的Sorensen教授和奧爾胡斯Alexandra研究所的Mikkelsen工程師等于近年設(shè)計(jì)開發(fā)出一種新穎的顳骨解剖手術(shù)模擬器，其主要研發(fā)方法和步驟為：首先用一位85歲女性新鮮尸體的正常顳骨標(biāo)本，在CT掃描后作連續(xù)冰凍切片，用單張拍攝像機(jī)記錄數(shù)字圖像，經(jīng)過色彩校正、微分裁剪等處理后對所有的圖像重新取樣，分別儲存為JPEG文件和相應(yīng)的三維圖像，由此獲得整套高質(zhì)量的人類顳骨斷層數(shù)字影像，即可視耳數(shù)字影像庫（the visible ear digital image library）［5］；在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)將該影像庫轉(zhuǎn)換成為具有自然色彩和高分辨率（可達(dá)125體素／mm3）的平面和立體仿真影像；最后再借助高級顯卡（如GeForce 8800 GTX）功能，在標(biāo)準(zhǔn)雙核個人計(jì)算機(jī)上對該影像庫實(shí)現(xiàn)可視化和人庫（人機(jī)）交互操作，制成“可視耳模擬器”（the visible ear simulator，VES），即VES軟件［6］。該項(xiàng)目由丹麥奧迪康科學(xué)研究基金會資助開發(fā)，早在2008年就已正式推出了第一版軟件。目前全球用戶都可從國際互聯(lián)網(wǎng)上免費(fèi)下載、安裝、使用和不定期升級VES軟件，而且使用該軟件要求的計(jì)算機(jī)特殊外部設(shè)備（如觸力交互設(shè)備）的價格明顯低于其它同類模擬系統(tǒng)，因此便于全球廣泛傳播和使用。

1 使用VES的步驟和方法 自主頁下載VES軟件（64bit觸覺版），并認(rèn)真閱讀其使用指南。按照使用指南的說明，在配置符合要求的個人計(jì)算機(jī)上安裝、運(yùn)行VES軟件，同時安裝、連接、校準(zhǔn)PHANTOM（R）OmniTM觸力交互設(shè)備（美國Sens Able公司），然后逐一熟悉軟件操作程序和各種設(shè)置的功能意義與參數(shù)調(diào)整方法。

按需要調(diào)整渲染圖像的某些視覺設(shè)置（visual setting）的參數(shù)，如骨透明度（transparency）與不透明度（opacity）值等，配合或單獨(dú)使用切面位置（clip plane position）選項(xiàng)，透視觀察或斷層查看顳骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其關(guān)系（圖1、2），為解剖手術(shù)練習(xí)作準(zhǔn)備。

圖1 從中顱窩面透視觀察面神經(jīng)、上半規(guī)管、耳蝸、聽小骨的相互關(guān)系

圖2 從外側(cè)面斷層加透視觀察中內(nèi)耳結(jié)構(gòu)和面神經(jīng)及頸動靜脈的關(guān)系

圖3 按圖文輔導(dǎo)的指引（左側(cè)線條）和操作區(qū)的顏色提示（右側(cè)線條）逐步進(jìn)行乳突切除手術(shù)

圖4 解剖和識別面神經(jīng)的重要定位標(biāo)志——二腹肌嵴

2 應(yīng)用VES模擬顳骨解剖及手術(shù) 按照使用指南導(dǎo)引的步驟反復(fù)進(jìn)行以下練習(xí)。

2.1 借助虛擬工具解剖顳骨 在觸覺模式（haptic mode）下設(shè)置和選定虛擬電鉆后，以PHANTOM（R）OmniTM設(shè)備控制鉆頭進(jìn)行操作。選用系統(tǒng)整合的輔導(dǎo)員（tutor）功能，按其分步操作的文字、圖像和顏色提示，或者參照自You Tube網(wǎng)站下載的整套規(guī)范操作視頻（熟練后不需再使用這些輔導(dǎo)選項(xiàng)），逐步、系統(tǒng)地進(jìn)行顳骨解剖練習(xí)，如：乳突氣房切除、鼓竇上鼓室切開、乙狀竇及中后顱窩腦膜輪廓化、面神經(jīng)定位標(biāo)志識別、面神經(jīng)全程輪廓化、面隱窩切開、圓窗龕及鼓岬與鼓階關(guān)系探查、頸靜脈球暴露、半規(guī)管藍(lán)線化及切除、經(jīng)迷路內(nèi)聽道開放等。使用tutor時同時啟用其中的督查評估（evaluation）功能對每一步操作的工作量和重要結(jié)構(gòu)的損傷情況進(jìn)行實(shí)時統(tǒng)計(jì)和量化評價。

2.2 模擬各種中耳、內(nèi)耳手術(shù)徑路 在解剖練習(xí)的基礎(chǔ)上，模擬各種常用的耳手術(shù)（徑路），如：單純或擴(kuò)大、關(guān)閉或開放式乳突手術(shù)、Bondy手術(shù)、鼓室成形術(shù)聯(lián)合徑路的改良術(shù)式、面神經(jīng)探查、內(nèi)淋巴囊手術(shù)徑路、耳硬化癥手術(shù)徑路、耳蝸植入手術(shù)徑路、后鼓室切開及耳蝸切開、小腦腦橋角手術(shù)的經(jīng)迷路徑路、經(jīng)外耳道上鼓室鼓竇切開手術(shù)等（圖3～8）。

圖5 識別砧骨窩、面神經(jīng)乳突段和鼓索神經(jīng)，磨除以它們?yōu)檫吔绲拿骐[窩后外側(cè)壁骨質(zhì)

圖6 于乙狀竇前內(nèi)和后半規(guī)管后下方暴露內(nèi)淋巴囊

圖7 斷面查看經(jīng)后鼓室切開于圓窗龕前緣切開耳蝸

圖8 經(jīng)外耳道開放上鼓室和鼓竇，暴露錘骨和砧骨

術(shù)中操作涉及面神經(jīng)、大血管、內(nèi)耳和腦膜等結(jié)構(gòu)時，配合使用可視導(dǎo)航（調(diào)整visual settings參數(shù)）、斷層查看（調(diào)節(jié)clipping plane position）、自動警示（show warning）以及撤銷操作（undo drilling）等功能，預(yù)覽重要結(jié)構(gòu)的位置與行徑、預(yù)測鉆磨結(jié)果、糾正不當(dāng)操作，以練習(xí)規(guī)范、正確的顳骨鉆磨方法，避免重要結(jié)構(gòu)損傷。練習(xí)時隨時切換至立體影像（toggle stereo graphics）模式并佩戴紅藍(lán)雙色立體眼鏡，及時了解術(shù)野解剖結(jié)構(gòu)的立體空間關(guān)系，以便調(diào)整和優(yōu)化手術(shù)操作。此外，術(shù)中還可隨時使用系統(tǒng)的幀取樣（frame grabbing）功能和FRAPS軟件，保存有意義的屏幕截圖和操作視頻，以備復(fù)習(xí)和進(jìn)一步研討。

3 VES軟件特點(diǎn) 為了解VES在顳骨解剖虛擬訓(xùn)練中的實(shí)際應(yīng)用效果，同濟(jì)醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科近期操作、體驗(yàn)了該模擬器的可視化和人機(jī)交互兩大功能，發(fā)現(xiàn)VES渲染的二維和三維影像色彩自然柔和，圖中結(jié)構(gòu)高度保真且清晰可辨，立體感極強(qiáng)；虛擬電鉆觸力反饋生動流暢，骨質(zhì)鉆磨操作高度仿真；借助觸力交互設(shè)備控制的虛擬工具，可以很順利地進(jìn)行顳骨解剖和常規(guī)顳骨手術(shù)（徑路）項(xiàng)目的練習(xí)，在立體模式下的手術(shù)過程猶如實(shí)體解剖，有身臨其境之感。

作為一種虛擬的解剖手術(shù)模擬系統(tǒng)，VES可在一定程度上補(bǔ)充和完善實(shí)體顳骨解剖的作用，其具有以下特點(diǎn)：①系統(tǒng)軟件方便易得，可隨時隨地從國際互聯(lián)網(wǎng)免費(fèi)下載、安裝及運(yùn)行。近期本文作者已經(jīng)完成VES軟件的漢化和VES使用指南的漢譯，更方便了廣大中文用戶的使用；②使用不受場地、時間和次數(shù)限制，在辦公室或家庭任一具備必要配置的個人計(jì)算機(jī)上都可以無限次反復(fù)使用，無需參加特定訓(xùn)練課程，或者在特定實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行“一次性”顳骨標(biāo)本解剖；③無需電鉆和顯微鏡等昂貴設(shè)備；④應(yīng)用系統(tǒng)的可視化功能，尤其在立體影像模式下，可以在任意基線的任意層面或者從任意角度對顳骨在體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行透視和剖面觀察，有助于全方位了解其空間關(guān)系；⑤術(shù)中如遇虛擬鉆頭接觸或損傷重要結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)有自動警示功能，而且術(shù)者還可以隨時利用可視導(dǎo)航或斷層查看等功能，預(yù)覽重要結(jié)構(gòu)和評估鉆磨結(jié)果，以糾正不當(dāng)操作，避免重要結(jié)構(gòu)的損傷，有助于受訓(xùn)者培養(yǎng)良好的操作習(xí)慣和提高關(guān)鍵操作的準(zhǔn)確性；⑥系統(tǒng)配套的全套規(guī)范操作錄像（可從Youtube或者Youku網(wǎng)站下載）和整合的圖文導(dǎo)師模塊可以引導(dǎo)初學(xué)者逐步練習(xí)規(guī)范的乳突切除及輪廓化手術(shù)，還可以對術(shù)者每一步操作的完成時間、磨骨容積、撤銷操作的時長以及發(fā)生重要結(jié)構(gòu)損傷的次數(shù)等進(jìn)行實(shí)時統(tǒng)計(jì)和量化評價，有利于改進(jìn)和完善手術(shù)操作。保存同一術(shù)者每次手術(shù)的評價數(shù)據(jù)用作前后比較，可以了解該受訓(xùn)者顳骨鉆磨操作技能的進(jìn)步和改善情況；⑦隨時保存的高質(zhì)量屏幕截圖和操作視頻用于復(fù)習(xí)和討論，有助于進(jìn)一步夯實(shí)解剖基礎(chǔ)和鞏固訓(xùn)練效果。

總之，丹麥VES具有卓越的可視化和人機(jī)交互性能，是一種新穎的虛擬現(xiàn)實(shí)的顳骨解剖模擬系統(tǒng)。它既能高保真地再現(xiàn)外科解剖環(huán)境，可被用作高仿真的解剖手術(shù)模型，又能對手術(shù)操作進(jìn)行指引、導(dǎo)航、警示、糾錯和評價。使用VES進(jìn)行虛擬訓(xùn)練，可以獲得與實(shí)體顳骨解剖相似的效果，既可以鞏固顳骨外科解剖學(xué)知識，加深對臨床耳手術(shù)原理和徑路的理解，也有助于對顳骨CT影像的準(zhǔn)確解讀，同時又可以練習(xí)掌握正確手術(shù)方法、改進(jìn)骨鉆磨技術(shù)和避免重要結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)而為臨床耳科手術(shù)奠定解剖和操作基礎(chǔ)。在青年耳科醫(yī)師的顳骨解剖訓(xùn)練中VES無疑具有獨(dú)特的應(yīng)用價值。

（致謝：衷心感謝哥本哈根大學(xué)Gentofte醫(yī)院Stangerup S.E.教授和Foghsgaard S.醫(yī)師為作者的VES體驗(yàn)提供的熱情幫助！）

1 George AP，De R.Review of temporal bone dissection teaching：how it was，is and will be［J］.J Laryngol Otol，2010，124：119.

2 Chan S，Li P，Lee DH，et al.A virtual surgical environment for rehearsal of tympanomastoidectomy［J］.Stud Health Technol Inform，2011，163：112.

3 謝文，張強(qiáng)，孔維佳，等.基于分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的耳顯微手術(shù)仿真系統(tǒng)［J］.中國醫(yī)療器械雜志，2010，34：183.

4 Sorensen MS，Mosegaard J，Trier P.The visible ear simulator：a public PC application for GPU-ccelerated haptic 3D simulation of ear surgery based on the visible ear data［J］.Otology＆Neurotology，2009，30：484.

5 S?rensen MS，Dobrzeniecki AB，Larsen P，et al.The visible ear：a digital image library of the temporal bone［J］.ORL J Otorhinolaryngol Relat Spec，2002，64：378.

6 Trier P，Noe K?，S?rensen MS，et al.The visible ear surgery simulator［J］.Stud Health Technol Inform，2008，132：523.

（2013-01-21收稿）

（本文編輯 周濤）

10.3969／j.issn.1006-7299.2013.04.022

時間：2013-7-3 16：57

R764.9

A

1006-7299（2013）04-0400-03

1 華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科（武漢430030）； 2 哥本哈根大學(xué)Rigs醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科；3 Alexandra研究所

余洋（Email：yuyang＠tjh.tjmu.edu.cn）

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