虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

申靜波 (東北石油大計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)是現(xiàn)代醫(yī)療手術(shù)中一種較新的技術(shù)，用來診斷和治療膝關(guān)節(jié)損傷。在膝關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡手術(shù)中，首先在病人膝關(guān)節(jié)的適當(dāng)位置開2個(gè)小切口，將帶有攝像頭的內(nèi)窺鏡從其中一個(gè)切口插入膝關(guān)節(jié)內(nèi)部，使得醫(yī)生能觀察關(guān)節(jié)內(nèi)的組織和手術(shù)情況；并將手術(shù)器械從另一個(gè)切口插入，通過選擇不同的手術(shù)器械，醫(yī)生可以完成不同類型的手術(shù)任務(wù)，諸如切割、打磨、縫合等等。

國(guó)際上已有大量研究瞄準(zhǔn)于開發(fā)內(nèi)窺鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)，文獻(xiàn)[1～3]介紹了一些具有代表性的腹腔鏡和關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)，其中大部分系統(tǒng)都是在高端工作站上完成的，存在缺乏力反饋及不能模擬諸如切割導(dǎo)致的解剖結(jié)構(gòu)的拓?fù)渥兓热秉c(diǎn)。已經(jīng)出現(xiàn)的基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的手術(shù)模擬系統(tǒng)，其虛擬模型相對(duì)簡(jiǎn)單且不是在智能化的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中開發(fā)的，只能用于訓(xùn)練和模擬，而不能用于實(shí)際的手術(shù)操作中。筆者選擇膝關(guān)節(jié)為手術(shù)模擬對(duì)象的原因主要在于膝關(guān)節(jié)鏡本身可視范圍小且膝關(guān)節(jié)內(nèi)部空間非常狹小，因此有很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)模擬和訓(xùn)練價(jià)值，同時(shí)膝關(guān)節(jié)本身的結(jié)構(gòu)特征也非常適合作為手術(shù)模擬的對(duì)象。膝關(guān)節(jié)內(nèi)絕大部分的空間被骨骼(剛體)占據(jù)，易定位，膝關(guān)節(jié)內(nèi)比較重要的軟組織(包括臏骨韌帶、十字交叉韌帶以及半月板)形狀較小，可用規(guī)模不大的網(wǎng)格進(jìn)行模擬，也可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的變形和切割模擬。為此，筆者從虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)架構(gòu)出發(fā)介紹系統(tǒng)開發(fā)過程涉及的關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新成果。

1 虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)軟件架構(gòu)

虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)中的軟件部分根據(jù)其功能的不同可分為2個(gè)階段：預(yù)處理階段和實(shí)時(shí)手術(shù)模擬階段，如圖1所示。

1)預(yù)處理階段。該階段為建模階段，完成病人膝關(guān)節(jié)中諸如骨骼、韌帶和半月板等主要器官的建模，主要的操作包括病人CT或MRI數(shù)據(jù)的采集、組織結(jié)構(gòu)的分割、三維組織表面數(shù)據(jù)的重構(gòu)、軟組織結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格剖分等。

2)實(shí)時(shí)手術(shù)模擬階段。該部分主要包括手術(shù)模擬過程中所需要的功能模塊，如輸入設(shè)備的力反饋算法、軟組織非線性形變的實(shí)時(shí)模擬、軟組織的拓?fù)涓淖?、碰撞檢測(cè)的計(jì)算、組織器官網(wǎng)格的局部實(shí)時(shí)優(yōu)化、具有真實(shí)感的繪制等。在膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬過程當(dāng)中，使用者通過操作力反饋設(shè)備模擬手術(shù)刀和內(nèi)窺鏡，碰撞檢測(cè)模塊檢測(cè)手術(shù)刀是否已經(jīng)和膝關(guān)節(jié)內(nèi)的物體發(fā)生碰撞，如果發(fā)生碰撞，則根據(jù)發(fā)生碰撞的物體以及碰撞類型的不同進(jìn)行相應(yīng)的處理：如果發(fā)生碰撞的物體是膝關(guān)節(jié)內(nèi)部的骨骼，則按照剛性物體計(jì)算發(fā)生碰撞時(shí)的反饋力；如果是器械與軟組織器官發(fā)生碰撞，則由軟組織變形和反饋力計(jì)算模塊計(jì)算變形和反饋力；如果發(fā)生的碰撞是切割操作，則需要根據(jù)切割算法修改組織模型，并計(jì)算相應(yīng)的組織變形和反饋力。然后將反饋力計(jì)算的結(jié)果返回給力反饋裝置，以模擬手術(shù)操作中的觸覺，同時(shí)還將變形后的網(wǎng)格傳給顯示模塊，在進(jìn)行簡(jiǎn)化和平滑的操作之后，將膝關(guān)節(jié)內(nèi)的組織器官繪制在顯示設(shè)備上。

圖1 虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)軟件架構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 膝關(guān)節(jié)組織器官的分割和重建

圖2 膝關(guān)節(jié)組織器官的建模流程

虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)涉及的組織器官主要有骨骼、韌帶和半月板3類。其中，骨骼包括股骨、髕骨、脛骨和腓骨；韌帶主要包括5條，僅中間的十字韌帶位于膝關(guān)節(jié)腔的內(nèi)部并且在內(nèi)窺鏡中可見，其余3條由于位于關(guān)節(jié)腔以外而不可見，這些韌帶都與膝蓋的彎曲有關(guān)，因此重建的模型中仍然包括5條韌帶；作為膝關(guān)節(jié)容易損傷的一個(gè)器官，半月板在膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)中也十分重要，很多手術(shù)都是圍繞著半月板的修復(fù)展開，如半月板撕裂等。系統(tǒng)所采用的模型是由可視人體彩色斷層圖像經(jīng)過組織分割、三維表面重建、四面體剖分建立起來的，圖2給出了模型重建的整個(gè)過程。

目前，基于彩色圖像的自動(dòng)分割技術(shù)還不成熟，并且彩色圖像中各種組織邊界并不十分清晰，因此采用半自動(dòng)的方法對(duì)組織進(jìn)行分割。首先，手工提取第1層中的組織邊緣，然后利用層間的相關(guān)性提取第2層的組織邊緣，以此方法逐層提取膝關(guān)節(jié)各個(gè)組織器官的邊緣。

圖3 表面模型的拉普拉斯平滑

在該系統(tǒng)中，筆者設(shè)計(jì)并開發(fā)了一個(gè)交互界面，為用戶在二維醫(yī)學(xué)圖像上面提取組織輪廓線定義了一系列的交互工具，包括組織輪廓線的創(chuàng)建、刪除，輪廓線上點(diǎn)的增加、減少和修正以及輪廓線組織屬性的定義和鄰近組織在變形時(shí)所采用的約束關(guān)系等。根據(jù)獲得的膝關(guān)節(jié)各種組織器官的邊緣輪廓線，使用相鄰輪廓線同步前進(jìn)法[4]將同一組織相鄰輪廓線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)連接起來，就可以重建出組織器官的三維表面模型。此時(shí)得到的組織表面模型較粗糙，需對(duì)獲得的表面模型進(jìn)行拉普拉斯平滑，可在保持表面形狀的同時(shí)大大降低表面噪聲。平滑前后表面模型的對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

對(duì)于骨骼類型的剛性組織而言，表面模型即可滿足手術(shù)模擬系統(tǒng)的需要。但對(duì)韌帶和半月板等軟組織器官，僅使用表面模型是不夠的，為模擬軟組織的變形和切割，還必須采用基于約束表面的四面體網(wǎng)格剖分算法對(duì)這些器官的表面模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格剖分[5]。圖4示意了重建后的膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)部的組織器官，整個(gè)膝關(guān)節(jié)模型是由表面網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格構(gòu)成的混合模型。

2.2 碰撞檢測(cè)與力反饋

在內(nèi)窺鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)當(dāng)中，需要檢測(cè)內(nèi)窺鏡的漫游路徑是否與組織器官發(fā)生碰撞。在虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)中，除骨骼外，大部分組織都是軟組織，這些軟組織在手術(shù)模擬中都存在較大的變形。針對(duì)在手術(shù)模擬過程中經(jīng)常發(fā)生的軟組織變形乃至拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，采用基于層次包圍盒結(jié)構(gòu)的碰撞檢測(cè)算法能夠較好的解決剛性物體之間的碰撞檢測(cè)，對(duì)于構(gòu)成物體的三角面片集的規(guī)模為十萬個(gè)左右的情況，基本可以滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求；但對(duì)于存在較大變形物體的碰撞檢測(cè)，使用與物體近似程度較高的包圍盒，諸如OBBs[6]和k-DOPs[7]，雖然可以提高碰撞檢測(cè)的效率，但是由于計(jì)算OBBs和k-DOPs的方法比較復(fù)雜，因此修正變形或者切割后的層次包圍盒結(jié)構(gòu)樹的開銷非常大，因此并不適合用于變形組織的碰撞檢測(cè)。而包圍盒AABBs具有易于計(jì)算、便于更新的特點(diǎn)，因此被用于虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)系統(tǒng)中的碰撞檢測(cè)[8]。

力反饋設(shè)備輸入部分為用戶操作力反饋設(shè)備時(shí)所產(chǎn)生的帶有4個(gè)自由度的內(nèi)窺鏡或手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，輸出部分為由于漫游過程中的碰撞或者作用于手術(shù)區(qū)域的切削等操作所產(chǎn)生的力反饋，這意味著力反饋設(shè)備在硬件架構(gòu)中既是一種輸入設(shè)備，也是一種輸出設(shè)備。

在內(nèi)窺鏡手術(shù)中，醫(yī)生的手無法直接觸及被治療的內(nèi)部器官，因此能夠提供力反饋的接觸控制裝置就成為真實(shí)感手術(shù)模擬虛擬環(huán)境中不可缺少的組成部分。SensAble Technologies公司研制開發(fā)的PHANToM的力反饋裝置已被用于多個(gè)手術(shù)模擬系統(tǒng)，當(dāng)用戶操作這一設(shè)備時(shí)，通過檢測(cè)虛擬物體與手術(shù)器械間的碰撞，并提供用質(zhì)量彈簧模型或有限元模型計(jì)算得出輸出的反饋力[9，10]。

2.3 變形和切割模擬

人體內(nèi)部的軟組織是一種形狀可變的自由形態(tài)物體，手術(shù)模擬需要建模并計(jì)算軟組織對(duì)外施作用力的反應(yīng)。有限元法將變形物體當(dāng)作具有連續(xù)質(zhì)量和能量分布的介質(zhì)處理，由現(xiàn)有變形可以很好地模擬帶有物理屬性的軟組織的變形[9～12]。膝關(guān)節(jié)內(nèi)部的變形包括3種：

1)膝關(guān)節(jié)彎曲和捭闔時(shí)骨骼位置的變化，為主動(dòng)的剛性變形。由于膝關(guān)節(jié)內(nèi)部骨骼的相對(duì)運(yùn)動(dòng)比較簡(jiǎn)單，可以將骨骼的運(yùn)動(dòng)變形歸結(jié)為彎曲和捭闔2種類型，這2種類型可以分別表示為繞某條直線為軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2)膝關(guān)節(jié)彎曲和捭闔時(shí)韌帶發(fā)生的變形，為從動(dòng)的軟組織變形。骨骼的彎曲或捭闔引起了附著在骨骼上韌帶組織的位置變化，從而導(dǎo)致了整條韌帶的變形。采用有限元方法模擬韌帶的變形，為韌帶附著在骨骼上的點(diǎn)提供位置約束，當(dāng)骨骼發(fā)生彎曲或捭闔時(shí)計(jì)算此時(shí)韌帶上約束點(diǎn)的位置，并根據(jù)此位置計(jì)算韌帶的變形。

3)與手術(shù)器械發(fā)生碰撞時(shí)韌帶和半月板發(fā)生的變形，是一種帶位置約束的從動(dòng)的軟組織變形，軟組織的位置約束不是由附著在骨骼上的約束點(diǎn)提供，而是由與軟組織發(fā)生碰撞時(shí)的手術(shù)器械頂點(diǎn)提供。

關(guān)于虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)中使用[12]中實(shí)現(xiàn)的對(duì)有限元網(wǎng)格模型的切割，該算法在切割過程中生成的細(xì)小單元數(shù)目少，且即便單元沒有完全被手術(shù)刀切過，單元也將被剖分，因此在感覺上沒有響應(yīng)延遲。圖5示意了對(duì)韌帶的切割。

3 結(jié)語

系統(tǒng)介紹了虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)的系統(tǒng)框架、功能模塊劃分，并針對(duì)虛擬內(nèi)窺鏡及手術(shù)模擬中的若干關(guān)鍵技術(shù)，包括虛擬內(nèi)窺鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)中的三維模型重建、變形與精確切割、碰撞檢測(cè)等進(jìn)行了研究并給出解決方案。系統(tǒng)在微機(jī)環(huán)境下采用VC++實(shí)現(xiàn)，虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)模擬系統(tǒng)顯示界面主要組合了視窗模擬膝關(guān)節(jié)鏡視角及整個(gè)膝關(guān)節(jié)圖像展示。結(jié)合力反饋設(shè)備，系統(tǒng)不僅可以模擬實(shí)際的膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)操作，還可以增強(qiáng)醫(yī)生對(duì)手術(shù)的感覺，并且提高醫(yī)生解決手術(shù)中可能面臨問題的能力，對(duì)以后的診斷和手術(shù)有很大的幫助。

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