仿真手術(shù)刀在虛擬手術(shù)系統(tǒng)中的應(yīng)用

羅 偉 李珊珊 丁明躍

1.長(zhǎng)江大學(xué)附屬第一醫(yī)院，湖北荊州 434000；2.湖北省荊州市中心血站，湖北荊州 434000；3.華中科技大學(xué)生命科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，湖北武漢 431000

當(dāng)前，虛擬仿真手術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的一項(xiàng)新的應(yīng)用，也是世界各國(guó)研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一[1-2]，其是根據(jù)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的知識(shí)，使得醫(yī)生能夠真實(shí)地置身于計(jì)算機(jī)重建生成的“靈境”中，然后從仿真手術(shù)器械的使用著手，學(xué)習(xí)如何進(jìn)行各種仿真手術(shù)和處理各種突發(fā)情況。如何正確使用手術(shù)刀進(jìn)行手術(shù)是外科實(shí)習(xí)醫(yī)生必備的訓(xùn)練課程。醫(yī)生在執(zhí)行手術(shù)時(shí)，離不開手術(shù)刀的操作。自2011年以來(lái)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)江大學(xué)附屬第一醫(yī)院研究人員的辛勤工作，建成了一個(gè)利用虛擬手術(shù)刀實(shí)現(xiàn)虛擬外科手術(shù)的系統(tǒng)平臺(tái)，保證了進(jìn)修醫(yī)師和醫(yī)學(xué)生可以重復(fù)進(jìn)行各種常規(guī)操作訓(xùn)練，并得到專家手術(shù)指導(dǎo)，降低了手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了培訓(xùn)醫(yī)生的費(fèi)用，大大提升了教學(xué)的質(zhì)量和效果。

1 仿真手術(shù)刀的研制

仿真手術(shù)刀的研制主要考慮了其在使用方式上與實(shí)際手術(shù)刀必須保持一致，訓(xùn)練的目的才能真正地實(shí)現(xiàn)。首先，常用的抓持手術(shù)刀方式，①琴弓式：琴弓式是最常用的一種執(zhí)刀方式，動(dòng)作范圍廣而靈活，用力涉及整個(gè)上肢，主要在腕部。用于較長(zhǎng)的皮膚切口和腹直肌前鞘的切開等。②執(zhí)筆式：用力輕柔，操作靈活準(zhǔn)確，便于控制刀的動(dòng)度，其動(dòng)作和力量主要在手指。用于短小切口及精細(xì)手術(shù)，如解剖血管、神經(jīng)及切開腹膜等。③握持式：全手握持刀柄，拇指與食指緊捏刀柄刻痕處，此法控刀比較穩(wěn)定，操作的主要活動(dòng)力點(diǎn)是肩關(guān)節(jié)。用于切割范圍廣、組織堅(jiān)厚、用力較大的切開，如截肢、肌腱切開、較長(zhǎng)的皮膚切口等。④反挑式：是執(zhí)反挑式、筆式的一種轉(zhuǎn)換形式，刀刃向上挑開，以免損傷深部組織，操作時(shí)先刺入，動(dòng)點(diǎn)在手指。用于切開膿腫、血管、氣管、膽總管或輸尿管等空腔臟器，切斷鉗夾的組織或擴(kuò)大皮膚切口等。⑤指壓式：用力重，食指壓住刀柄前端，后半端藏于手中，此法控刀稍不靈活。主要適用于難于切開的皮膚。本研究通過(guò)實(shí)際調(diào)查工作發(fā)現(xiàn)，醫(yī)生大多采用琴弓式或握持式的抓持刀柄姿勢(shì)，見圖1。

圖1 常用手術(shù)刀抓持方式

1.1 手術(shù)刀受力分析

琴弓式持手術(shù)刀，操作者的手指關(guān)節(jié)將感覺(jué)到來(lái)自手術(shù)刀反饋的切割力，接著手指將這一信息傳遞給操作者的大腦；同時(shí)人的眼睛感知到的手術(shù)刀位置和姿態(tài)情況也傳入大腦。大腦將這兩方面信息處理和融合，進(jìn)一步控制醫(yī)生的手臂和手腕協(xié)調(diào)動(dòng)作。整個(gè)過(guò)程相關(guān)的因素主要包括：手臂的力角度、手的姿勢(shì)、切割對(duì)象的生理特征、組織產(chǎn)生的阻力等[2]。見圖2。

圖2 手術(shù)時(shí)術(shù)者的反饋控制系統(tǒng)

1.2 手術(shù)刀構(gòu)造

仿真手術(shù)刀研制成功與否關(guān)鍵在于盡可能地使其符合實(shí)際操作習(xí)慣，一手持刀柄，另一手用持針鉗（持針器）夾住刀片，嵌入刀柄前端的凹處，再用持針鉗（持針器）把刀片夾好即可使用。仿真手術(shù)刀沒(méi)有一個(gè)固定的支點(diǎn)，因此它只能提供給手指一個(gè)反饋力。手臂上力的感知是通過(guò)視覺(jué)來(lái)收集反饋信息的，這樣就可以彌補(bǔ)不足。實(shí)驗(yàn)表明，仿真手術(shù)刀確實(shí)能夠提供給操作者一個(gè)身臨其境的力反饋的真實(shí)觸覺(jué)。

2 力反饋設(shè)備

2.1 力反饋設(shè)備選擇

將手術(shù)刀的受力點(diǎn)與牽引鋼絲相連，由步進(jìn)電機(jī)-絲杠傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式來(lái)拖動(dòng)牽引鋼絲。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)在額定載荷范圍內(nèi)啟動(dòng)和制動(dòng)均平穩(wěn)，控制十分簡(jiǎn)單方便，絲杠傳動(dòng)還可以進(jìn)一步降低了機(jī)械的振動(dòng)，保證了運(yùn)動(dòng)的直線精度值。當(dāng)操作者手向上抬起產(chǎn)生拉力時(shí)，拉力就能及時(shí)地傳遞到食指，這樣就給操作者帶來(lái)了明顯的力反饋感受[3-5]。

2.2 力反饋控制模型

力反饋裝置采用兩種力反饋控制策略。

2.2.1 基于位置的開環(huán)控制策略 基于位置的開環(huán)控制策略依據(jù)的是刀尖抬起的高度與示指感受到的切割力成正比這一特點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)是模型直觀、控制簡(jiǎn)單，但控制精度難于保證。

2.2.2 基于反饋力的閉環(huán)控制策略 由于模型相對(duì)復(fù)雜，而且需要添加拉力傳感器，直接利用反饋力作為控制量，控制精度較高。因?yàn)槭中g(shù)操作是十分精細(xì)的，醫(yī)生的力覺(jué)反饋尤為重要，稍有不慎就會(huì)釀成大禍。因此，既要使虛擬外科手術(shù)系統(tǒng)更加真實(shí)地模擬，又要求仿真手術(shù)刀連接的力反饋裝置精度高。經(jīng)過(guò)比較，本研究選擇了基于反饋力的閉環(huán)控制策略對(duì)力反饋進(jìn)行控制[5]。見圖3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，通過(guò)4個(gè)步驟很真實(shí)地實(shí)現(xiàn)了切割反饋力變化情況。見圖4。

圖3 反饋力控制模型

圖4 實(shí)際切割反饋力輸出

3 虛擬手術(shù)系統(tǒng)環(huán)境的仿真

本研究構(gòu)建了一個(gè)虛擬手術(shù)室，在虛擬手術(shù)臺(tái)上設(shè)置了手術(shù)對(duì)象和手術(shù)場(chǎng)景中所有因素。系統(tǒng)將所有的圖像信息投影到一個(gè)平放的屏幕上。受訓(xùn)者可以按照事先設(shè)定好的模型進(jìn)行手術(shù)操作，通過(guò)仿真手術(shù)刀的操作，輕松實(shí)現(xiàn)在模型上的切割和練習(xí)。利用這些信息可直接調(diào)Open GL函數(shù)產(chǎn)生三角形面片，進(jìn)而生成虛擬人體組織[3-4，6]。當(dāng)“手術(shù)刀”在操作屏幕上滑動(dòng)時(shí)，就留下了相應(yīng)操作軌跡，并出現(xiàn)了劃開的切口，同時(shí)又有相應(yīng)的人體生理特征的顯示配合生成，保證醫(yī)生的手術(shù)逼真感，系統(tǒng)具備醫(yī)學(xué)手術(shù)課程要求的內(nèi)容，對(duì)于操作者會(huì)逐條進(jìn)行操作提示和考核[7]。系統(tǒng)全部由VC編寫，穩(wěn)定快捷，對(duì)于各種操作系統(tǒng)平臺(tái)均有很好地支持[8]。

4 結(jié)論

仿真手術(shù)刀的應(yīng)用，大大降低了醫(yī)生培訓(xùn)中存在的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了大量的醫(yī)療成本，提高了醫(yī)生業(yè)務(wù)技術(shù)和操作水平，可以有效地緩解當(dāng)前人體尸體教學(xué)標(biāo)本日趨減少的問(wèn)題，為醫(yī)院今后開展各種新技術(shù)、新業(yè)務(wù)的預(yù)演討論、可行性認(rèn)證提供了新的途徑[7-8]。相信通過(guò)研究者不懈努力，將逐步實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)院臨床醫(yī)療中開展相關(guān)測(cè)試和手術(shù)教學(xué)試驗(yàn)，將其應(yīng)用于手術(shù)培訓(xùn)、手術(shù)預(yù)演、臨床診斷、遠(yuǎn)程干預(yù)、醫(yī)學(xué)輔助教學(xué)等各個(gè)環(huán)節(jié)，不遠(yuǎn)的將來(lái)，仿真手術(shù)刀會(huì)越來(lái)越完善，并且更多的手術(shù)器械會(huì)被模擬出來(lái)，為醫(yī)生的培訓(xùn)教學(xué)工作和手術(shù)器械的研制提供大力支持和幫助。

志謝

本研究得到了華中科技大學(xué)生命科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系丁明躍教授的指導(dǎo)和幫助。

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