髁突骨軟骨瘤治療的虛擬設(shè)計及教學(xué)模擬

于洪波，王 博，王旭東，沈國芳

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科，上海市口腔醫(yī)學(xué)研究所上海市口腔醫(yī)學(xué)重點實驗室， 上海 200011

·數(shù)字醫(yī)學(xué)·

髁突骨軟骨瘤治療的虛擬設(shè)計及教學(xué)模擬

于洪波*，王 博*，王旭東△，沈國芳△

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院口腔顱頜面科，上海市口腔醫(yī)學(xué)研究所上海市口腔醫(yī)學(xué)重點實驗室， 上海 200011

髁突骨軟骨瘤是臨床較為少見的疾病，患者常伴有嚴(yán)重的面部不對稱畸形和功能障礙。由于畸形復(fù)雜多樣，個體差異大，制定最佳的個體化治療方案是臨床醫(yī)師一直追求的目標(biāo)。同時，對經(jīng)驗欠缺的年輕醫(yī)師的教學(xué)和培訓(xùn)也是一個難題。該研究嘗試?yán)锰摂M技術(shù)對髁突骨軟骨瘤進行手術(shù)設(shè)計及預(yù)測，探索最佳化的治療方案，恢復(fù)患者面部對稱性及咬合功能，同時實現(xiàn)該疾病診療的教學(xué)及培訓(xùn)，獲得了較好的效果。

髁突骨軟骨瘤；虛擬現(xiàn)實；教學(xué)；培訓(xùn)；手術(shù)設(shè)計；預(yù)測

prediction

髁突骨軟骨瘤在臨床上較為少見，但可引發(fā)嚴(yán)重的面部畸形、功能障礙，并對患者的心理產(chǎn)生嚴(yán)重影響，由于畸形嚴(yán)重及復(fù)雜多樣，治療相對困難。探索最佳的個體化治療方案，恢復(fù)患者面部對稱性及良好的咬合關(guān)系，一直是臨床醫(yī)師努力追求的目標(biāo)，而這需要多年經(jīng)驗積累和準(zhǔn)確的預(yù)測性。同時，由于缺乏理想的媒介和工具，該疾病治療的教學(xué)和培訓(xùn)也較為困難。

隨著信息科學(xué)和生命科學(xué)的飛速發(fā)展，不同學(xué)科間的交叉和滲透，使得新興技術(shù)越來越多地應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)手術(shù)教學(xué)和仿真訓(xùn)練等方面，虛擬現(xiàn)實(virtual reality,VR)技術(shù)有著不可替代的和令人鼓舞的應(yīng)用前景[1]。通過該技術(shù)，醫(yī)務(wù)人員可在虛擬模型上進行手術(shù)設(shè)計及預(yù)測，探索最佳的治療方案[2]。我們將該技術(shù)應(yīng)用于髁突骨軟骨瘤的治療及外科教學(xué)中，取得了較好的效果。

1 材料與方法

1.1 病例資料

選擇來上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院就診的髁突骨軟骨瘤患者4例。其中，男1例，女3例，平均年齡24.6歲(22-29歲)?；颊呔憩F(xiàn)為面部不對稱，偏突頜畸形。全景片及CT掃描顯示患側(cè)髁突骨性突起膨隆，髁突高度較對側(cè)增加，并且所有患者診斷均經(jīng)術(shù)后病理證實。

1.2 CT掃描及虛擬重建

連續(xù)、無間隔、無重疊、螺旋方式水平位薄層掃描；層厚1.25 mm;圖像512×512像素,140 kV，250 mA。掃描基準(zhǔn)面平行于眶耳平面，垂直于水平面。掃描范圍：顱頂至舌骨水平。數(shù)據(jù)輸出格式為DICOM(digital im- aging and communications in medicine)格式，并刻錄成光盤。

將CT數(shù)據(jù)輸入ProPlan CMF 1.4(Synthes Materia- lise公司)軟件系統(tǒng)，載入同時圖像重建成體數(shù)據(jù)。改變CT值的窗寬、窗位使圖像中只包含完整的骨組織，設(shè)定此時的CT洪斯菲爾德(Hounsfield)閾值來自動提取骨組織。經(jīng)二維預(yù)處理(區(qū)域剪切、濾波)、三維預(yù)處理(切片插值、圖像分割、切片重組)行骨組織的三維重建。在三維重建的顱頜面模型上，行區(qū)域增長(region growing)、布爾運算(boolean operations)，分離下頜骨。

1.3 虛擬手術(shù)設(shè)計及模擬

利用Proplan軟件模擬截骨操作功能，在模型上行上頜骨Le Fort Ⅰ型截骨、健側(cè)下頜支矢狀劈開(sag- ittal split ramus osteotomy，SSRO)及患側(cè)髁突切除術(shù)。根據(jù)患者面形及咬合關(guān)系，決定截骨塊移動的量及方向。并利用經(jīng)過冠突及鼻根點的正中矢狀面作為對稱平面，將健側(cè)解剖結(jié)構(gòu)及輪廓形態(tài)鏡像到患側(cè)，從而決定上下頜骨需要修整磨除的范圍及量。在此三維重建虛擬模型上，可進行手術(shù)模擬及預(yù)測，探索最佳的治療方案及效果，以求術(shù)后最佳的咬合功能及面部形態(tài)(如圖1所示)。

虛擬環(huán)境下，操作者佩戴光譜分離立體眼鏡觀察顯示器內(nèi)的三維虛擬圖像，選擇需要觀察移位的骨塊(上頜骨、下頜骨及其截骨塊)，在虛擬環(huán)境下以任意角度顯示。利用Phantom Desktop力反饋設(shè)備接觸頜骨碰撞模型，感受其反作用力(如圖2所示)。雙手佩戴數(shù)據(jù)手套在VR空間內(nèi)對顱頜面骨模型進行操作，操作者抓持所需移動的骨塊模型，在三維空間行平移、旋轉(zhuǎn)等操作，改變它們的相對位置來模擬手術(shù)骨塊的移動以矯治頜骨畸形，并行術(shù)后效果的顯示及評價(如圖3所示)。確定最終方案后，將設(shè)計模型數(shù)據(jù)以STL格式輸出，在三維打印機上進行虛擬截骨導(dǎo)板及頜板的三維打印。

1.4 手術(shù)及隨訪

2 結(jié)果

虛擬環(huán)境下，操作者佩戴光譜分離立體眼鏡，可從任意角度觀察虛擬圖像，沉浸感強。通過觸覺反饋裝置、數(shù)據(jù)手套在接觸、抓持碰撞模型中產(chǎn)生實時力反饋感知；骨塊移動過程中，與鄰近骨的接觸、碰撞時可感其反作用力；利用視覺、觸覺及力覺多感知交互模型，模擬真實的手術(shù)操作，實現(xiàn)了圖像及力觸覺感知的實時反饋，最大程度地模擬了真實手術(shù)過程，完成了手術(shù)設(shè)計、操作訓(xùn)練及術(shù)后效果顯示。

3 討論

3.1 虛擬技術(shù)在手術(shù)教學(xué)中的重要性

近一個世紀(jì)以來，科技的發(fā)展和新技術(shù)的出現(xiàn)，推動了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)飛速發(fā)展和進步。然而，在手術(shù)教學(xué)及培訓(xùn)上，仍局限于觀看圖片、幻燈、錄像、尸體解剖、臨床觀摩等方法，對年輕醫(yī)師缺乏一種有效的手術(shù)操作訓(xùn)練手段。外科醫(yī)師普遍存在培養(yǎng)時間長，手術(shù)風(fēng)險大，手術(shù)操作鍛煉機會少等問題。同時對于較為復(fù)雜的手術(shù)，現(xiàn)階段術(shù)者只能在大腦中想象，無法行術(shù)前模擬演練，不能探索針對不同個體的最佳治療方案。同時，治療組成員間也存在溝通不暢，成員難以完全理解主刀醫(yī)師的意圖，組內(nèi)配合欠默契的問題。而在面形及術(shù)后效果預(yù)測方面，由于其難預(yù)測性及缺乏理想的顯示方法，即使經(jīng)驗豐富的醫(yī)師仍感覺較為困難。術(shù)后面形及效果是患者極為關(guān)心并迫切希望了解的，缺乏有效溝通會增加醫(yī)患矛盾及糾紛。

信息科學(xué)和生命科學(xué)的飛速發(fā)展，不同學(xué)科間的交叉和滲透，使得新興技術(shù)越來越多地應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)手術(shù)教學(xué)和仿真訓(xùn)練等方面，VR技術(shù)有著不可替代的和令人鼓舞的應(yīng)用前景[3]。通過該技術(shù)，醫(yī)務(wù)人員可沉浸于虛擬的場景內(nèi)，通過視、聽、觸覺感知并學(xué)習(xí)各種手術(shù)操作。而虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真訓(xùn)練是一種技術(shù)難度較大的研究，與其他VR技術(shù)相比，具有虛擬場景復(fù)雜，需要產(chǎn)生多層次、多形態(tài)、多相聯(lián)關(guān)系的三維虛擬人體組織，人機交互性強，定位、反饋精確度要求高的特點。

3.2 虛擬手術(shù)研究進展

對于虛擬手術(shù)的手術(shù)教學(xué)及操作訓(xùn)練的功能，學(xué)者們進行了大量的研究。Windsor等[4]借助虛擬外科模擬系統(tǒng)對學(xué)習(xí)方式、內(nèi)窺鏡手術(shù)經(jīng)驗及操作技能之間的關(guān)系進行了研究。Lehmann等[5]利用內(nèi)窺鏡模型發(fā)現(xiàn)虛擬環(huán)境下獲得的操作技術(shù)可直接應(yīng)用于臨床操作，而對于經(jīng)驗豐富的專家效果有限，提示模擬訓(xùn)練主要是培訓(xùn)以往臨床上需要通過幾年實踐來獲得的操作技能。Sternberg等[6]發(fā)現(xiàn)虛擬根尖截骨模擬系統(tǒng)可顯著提高受訓(xùn)者的操作技能及自我客觀評價能力，較好地滿足臨床醫(yī)生的手術(shù)教學(xué)訓(xùn)練需要，使學(xué)習(xí)者快速直觀地學(xué)習(xí)解剖結(jié)構(gòu)，掌握手術(shù)操作，并且虛擬訓(xùn)練技能可直接應(yīng)用于臨床，具有較高的手術(shù)教學(xué)意義。

對虛擬外科手術(shù)而言，在CT數(shù)據(jù)重建出來的三維模型上進行切割、截骨、位移等手術(shù)操作是此類研究的重點和難點。Xia等[7]通過建立顱頜面骨的樹狀結(jié)構(gòu)模型，實現(xiàn)虛擬環(huán)境下正頜手術(shù)的模擬操作及術(shù)后預(yù)測。該研究團隊也嘗試?yán)锰摂M觸覺反饋裝置，實現(xiàn)了在重建模型上截骨、骨塊位移等操作，從視覺、觸覺感知上來模擬正頜手術(shù)[8]。該研究利用Proplan軟件行顱面骨三維重建、截骨，各骨塊經(jīng)體數(shù)據(jù)重建，形成三維體數(shù)據(jù)的模型。在虛擬環(huán)境下行骨塊三維空間旋轉(zhuǎn)、移位模擬，減小了軟件運算量，解決了截骨操作的難題，使虛擬手術(shù)模擬簡便易行。

3.3 虛擬手術(shù)教學(xué)的意義

[1]Caloss R,Atkins K,Stella J P.Three-dimensional imaging for virtual assessment and treatment simulation in orthognathic sur- gery[J].Oral Maxillofac Surg Clin N Am,2007,19(3):287-309

[2]于洪波,沈國芳,劉炳凱,等.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的正頜手術(shù)模擬預(yù)測方法的建立[J].中國口腔頜面外科雜志,2009,7(6):519-522

[3] Chou B，Handa V L．Simulators and virtual reality in surgical education[J].Obstet Gynecol Clin North Am,2006,33(2):283-296

[4]Windsor J A,Diener S,Zoha F.Leaning style and laparo- scopic experience in psychomotor skill performance using a virtual reality surgical simulator[J].Am J Surg,2008,195(6):837-842

[5]Lehmann K S,Ritz J P,Maass H,et al.A prospective ran- domized study to test the transfer of basic psychomotor skills from virtual reality to physical reality in a comparable train- ing setting[J].Ann Surg,2005,241(3):442-449

[6]Sternberg N,Bartsch M S,Petersik A,et al.Leaning by doing virtually[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2007,36(5):386-390

[7]Xia J,Ip HHS,Samman N,et al.Computer-assisted three-dim- ensional surgical planning and simulation:3D virtual osteo- tomy[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2000,29(1):11-17

[8]于洪波,代杰文,于德棟,等.手術(shù)虛擬系統(tǒng)在正頜外科教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2014,28(1):75-78

其次，營造和諧的家庭氛圍，緩解和消釋工作壓力。家庭幸福和諧也能促進教師的身心健康。家庭是社會的細(xì)胞，婚姻是家庭的軸心，良好的家庭氛圍也是維持心理健康的條件。不把工作中的不快帶回家里，或者通過家庭良好的氛圍把工作中的不快消于無形，成為工作、學(xué)習(xí)的一種有益動力。

[9]Ramshaw B J,Young D,Garcha I,et al.The role of multime- dia interactive programs in training for laparoscopic proced- ures[J].Surg Endosc,2001,15(1):21-27

[10]Bloom M B,Rawn C L,Salzberg A D,et al.Virtual reality app- lied to procedural testing:the next era[J].Ann Surg,2003,237(3):442-448

[11]Yu H,Cheng J,Cheng A H,et al.Preliminary study of virtual orthognathic surgical simulation and training[J].J Cranio- fac Surg,2011,22(2):648-651

本刊2015年刊登重點(但不限于)

1、教育技術(shù)的理論研究及探索；

2、國內(nèi)外教育技術(shù)的發(fā)展綜述及教學(xué)改革方向；

3、混合式教學(xué)設(shè)計及案例；

4、MOOC背景下的教學(xué)重構(gòu)；

5、MOOC時代下的課程建設(shè)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)；

6、MOOCs實踐與思考；

7、新技術(shù)支撐下的教育云建設(shè)及實踐；

8、翻轉(zhuǎn)課堂的實證研究

9、數(shù)字化技術(shù)在醫(yī)療、教學(xué)、科研中的實證研究。

歡迎賜稿！

《中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)》雜志編輯部惟一的投稿信箱：cmet@mail.xjtu.edu.cn

聯(lián)系電話：029-82655088

《中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù)》編輯部

Virtual design and teaching simulation of mandibular condylar osteochondroma treatment

YuHongbo*,WangBo*,WangXudong△,ShenGuofang△

DepartmentofOralandCraniomaxillofacialScience,NinthPeople'sHospital,ShanghaiJiaotongUniversitySchoolofMedicine/ShanghaiKeyLaboratoryofStomatology/ShanghaiResearchInstituteofStomatology,Shanghai200011,China

Osteochondroma of mandibular condyle is a rare disease in clinic. Patients have severe facial asymmetry and malocclusion. Because of the complexity and diversity of the deformities, ideal and individualized surgical planning is the goal that surgeons have been pursuing. At the same time, teaching and training of inexperienced young doctors is difficult. In this study, virtual reality technology was attempted in surgical planning and prediction of condylar osteochondroma. The ideal surgical planning was explored to restore patients' facial symmetry and occlusion. Surgical teaching and training in treatment of condylar osteochondroma was realized with satisfactory results.

condylar osteochondroma; virtual reality; teaching; training; surgical planning;

國家自然科學(xué)基金(81101131)；上海交通大學(xué)“醫(yī)工”交叉項目(YG2013MS56)

2014-10-29

于洪波(1976-)，男，山東淄博人，博士，副主任醫(yī)師，主要研究方向：顱頜面手術(shù)虛擬建模及力觸覺反饋研究。 王博(1985-)，男，浙江寧波人，碩士，住院醫(yī)師，主要研究方向：牙槽骨再生正畸技術(shù)的臨床應(yīng)用及基礎(chǔ)研究。

王旭東(1970-)，男，福建泉州人，教授，主任醫(yī)師，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：顱頜面畸形的臨床與基礎(chǔ)研究。 電話：021-23271699-5144；E-mail:xudong70@hotmail.com 沈國芳(1963-)，男，浙江寧波人，教授，主任醫(yī)師，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向：牙頜面畸形、缺損的臨床與基礎(chǔ)研究。電話：021-23271207；E-mail:maxillofacsurg@163.com

G434

A

1004-5287(2015)02-0187-04

：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201502023

注：*同為第一作者

注：△同為通信作者