下頜骨骨折虛擬手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)研究

黃銘明，蘇其瑜，曾 維，湯 煒，田衛(wèi)東，張 勁

1.四川大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息工程系，成都 610065

2.四川大學(xué) 華西口腔醫(yī)學(xué)院，成都 610041

1 引言

下頜骨骨折是較為常見的骨折，造成下頜骨骨折的首要原因是交通事故[1-3]。一般手術(shù)會采用鈦板堅(jiān)固內(nèi)固定術(shù)來治療。鈦板堅(jiān)固內(nèi)固定選擇尺寸合適的小鈦板，彎曲使其和下頜骨骨面緊貼，能使骨折復(fù)位后達(dá)到穩(wěn)定的作用[4]。但是術(shù)后可能出現(xiàn)錯牙合畸形等后遺癥，這是因?yàn)殁伆鍒?jiān)固內(nèi)固定術(shù)對醫(yī)生的操作技術(shù)有較高的要求。然而在教學(xué)訓(xùn)練中，書本或視頻教學(xué)直觀性差，實(shí)物模型訓(xùn)練成本較高，而臨床觀察操作不能短時間內(nèi)重復(fù)練習(xí)。于是，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬下頜骨單線骨折手術(shù)場景，用于醫(yī)學(xué)生以及實(shí)習(xí)醫(yī)生等的訓(xùn)練，讓其模擬手術(shù)過程，達(dá)到低成本可反復(fù)地訓(xùn)練提高手術(shù)技能的目的。

20世紀(jì)80年代，Jaron Lanier提出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[5]這一概念。到了20世紀(jì)80年代末，J.Rosen和Dr.S.Delp就首次把虛擬現(xiàn)實(shí)與外科手術(shù)結(jié)合[6]。而在1996年的第四屆醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)會議上[7]第一次提出虛擬手術(shù)這一概念。隨后幾年，世界各國家都陸續(xù)開始對虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)的研究，日本和歐美對相關(guān)技術(shù)的研究起步較早，相關(guān)技術(shù)也處于領(lǐng)先狀態(tài)[8-12]。

1995年美國的Merril構(gòu)建了一個人體軀干模型，可以通過器官組織的物理特性進(jìn)行彎曲拉伸的模擬[13]；1996年Levy開發(fā)的子宮檢查仿真器引入了觸覺設(shè)備，首次實(shí)現(xiàn)了加入力反饋設(shè)備的虛擬手術(shù)，對后來的虛擬手術(shù)力反饋系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)[14]。佐治亞理工學(xué)院開發(fā)了用于肩關(guān)節(jié)鏡手術(shù)訓(xùn)練和術(shù)前規(guī)劃的虛擬手術(shù)系統(tǒng)[15]。賓夕法尼亞大學(xué)針對鼻腔鏡手術(shù)，使用NeuroTouch仿真軟件開發(fā)了一套訓(xùn)練系統(tǒng)[16]。除此之外，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域的公司針對虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)也開發(fā)出了相應(yīng)的醫(yī)療器械仿真設(shè)備和和人體可視化軟件等。

早期由于技術(shù)限制和較高的研究成本，國內(nèi)虛擬手術(shù)仿真的研究起步較晚，且目前國內(nèi)的研究工作主要針對醫(yī)學(xué)圖像的三維重建和可視化，碰撞檢測，人體軟組織變形計(jì)算等方面[17-20]。2001年，鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)仿真系統(tǒng)在北京301醫(yī)院設(shè)計(jì)完成，這是我國的第一套包含觸覺反饋的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)[21]；近幾年，中國醫(yī)科大學(xué)開發(fā)了一套基于Web的一體化小兒心臟病虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)，這套系統(tǒng)可以通過可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)手術(shù)的初步設(shè)計(jì)和指導(dǎo)[22]；云南省第一人民醫(yī)院肝膽外科對虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，對相應(yīng)的肝臟手術(shù)的復(fù)雜情況進(jìn)行精準(zhǔn)的評估模擬，為精準(zhǔn)肝切除復(fù)雜性肝臟腫瘤提供了手術(shù)數(shù)據(jù)和依據(jù)[23]。

虛擬手術(shù)要求使用者能夠體會到處于手術(shù)室般身臨其境的感受，并且能夠?qū)崟r與虛擬手術(shù)場景的模型進(jìn)行交互。因此不僅需要搭建逼真的三維手術(shù)室場景，還需要場景中的模型之間的交互行為與現(xiàn)實(shí)中無異，能夠?qū)崿F(xiàn)對一些物理現(xiàn)象的模擬。Unity3D能很好地實(shí)現(xiàn)上述要求。Unity3D擁有強(qiáng)大的物理引擎模擬物體運(yùn)動、碰撞與形變等；通過Unity3D的光影系統(tǒng)可以很容易地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活中的各種光影效果，光影系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)包括光照面積、陰影強(qiáng)度、色溫等[24]。在近幾年，越來越多的非游戲領(lǐng)域的虛擬場景構(gòu)建都會使用Unity3d來進(jìn)行開發(fā)，并且取得了很好的效果。

廣泛用于開發(fā)類似虛擬手術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)場景的硬件平臺目前主要有PC端和移動端。基于PC端的VR設(shè)備有HTC Vive、Oculus Rift、PS VR、蟻視頭盔等。移動端的有Microsoft HoloLens、三星Gear VR、Joycher、Cardboard等[25]。

其中基于PC端的HTC Vive是很適合開發(fā)虛擬手術(shù)的VR設(shè)備。而且HTC Vive在同類型設(shè)備中，其特有的LightHouse定位技術(shù)[26]，轉(zhuǎn)變了其他設(shè)備采用的被追蹤器件發(fā)射定位信號，追蹤器件接受信號的方式，轉(zhuǎn)而采用基站發(fā)射信號，被追蹤設(shè)備接受信號的方式，極大地提高了定位的準(zhǔn)確性和實(shí)時性，并且可使使用者在一定的空間內(nèi)自由活動，很好地解決了精確定位追蹤的問題，不會出現(xiàn)其他產(chǎn)品因?yàn)槎ㄎ簧系难舆t而有的眩暈感。

因此，本文使用Unity3D作為開發(fā)引擎，結(jié)合SteamVR和VRTK等開源庫和3ds Max建模，同時使用HTC Vive頭戴設(shè)備，建立下頜骨單線骨折虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

2.1 虛擬手術(shù)系統(tǒng)總體分析

本文的下頜骨單線骨折虛擬手術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求能模擬下頜骨單線骨折手術(shù)的場景及過程，同時還要考慮到該系統(tǒng)的受眾主要是醫(yī)學(xué)生、新醫(yī)生、醫(yī)護(hù)人員等，其理論基礎(chǔ)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不盡相同，并且在以后的研究中，該系統(tǒng)還要應(yīng)用于不同的手術(shù)模擬中，所以系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在為使用者提供一個虛擬手術(shù)仿真平臺，通過對基礎(chǔ)手術(shù)場景的搭建，以及對一些常見手術(shù)器械的建模，需要實(shí)現(xiàn)對手術(shù)場景的模擬和對手術(shù)室常用交互的設(shè)計(jì)。同時為了針對不同的手術(shù)場景，只需要加入具體的手術(shù)器械模型和病人模型，即可實(shí)現(xiàn)對于多種手術(shù)場景的仿真。

通過對于常見手術(shù)室內(nèi)場景的了解，手術(shù)室必須包括的部分：手術(shù)室病床、常用手術(shù)器械、通風(fēng)系統(tǒng)以及燈光系統(tǒng)等。針對這些需求，系統(tǒng)的環(huán)境設(shè)計(jì)分為四個部分：手術(shù)室本身的設(shè)計(jì)、顱骨模型的設(shè)計(jì)、燈光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、常用手術(shù)器械的設(shè)計(jì)。而針對手術(shù)室場景下的交互主要是對物體的撿取釋放以及對手術(shù)對象的簡單操作，為了擴(kuò)展游戲空間，使得使用者在較小的游戲空間內(nèi)就可以對整個手術(shù)室內(nèi)的物品進(jìn)行操作，在系統(tǒng)中還加入了瞬間移動功能。此外，為了在虛擬仿真場景盡可能地真實(shí)，場景中的必要物品都加入了重力系統(tǒng)，為了達(dá)到撿拾物品的目的，場景中的必要物品也添加了碰撞系統(tǒng)。因此，虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括虛擬手術(shù)室環(huán)境與虛擬環(huán)境和現(xiàn)實(shí)的交互系統(tǒng)兩個部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 虛擬手術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 虛擬手術(shù)系統(tǒng)模塊分析

2.2.1 場景模塊設(shè)計(jì)

虛擬手術(shù)場景設(shè)計(jì)分為建模階段和手術(shù)室設(shè)計(jì)。

建模階段使用3ds Max工具對手術(shù)室和手術(shù)器械進(jìn)行建模，建模完成后通過3ds Max導(dǎo)出文件，將導(dǎo)出的文件復(fù)制到工程目錄后，拖入場景中。

手術(shù)室場景設(shè)計(jì)要考慮到手術(shù)室自身需要的模型有墻壁、天花板、地板、門、玻璃、燈泡和通風(fēng)窗，手術(shù)室內(nèi)需要建模的有手術(shù)床、手術(shù)器械、無影燈和擺放手術(shù)器械的桌子等。

2.2.2 交互模塊設(shè)計(jì)

虛擬手術(shù)交互系統(tǒng)需要對手術(shù)室內(nèi)的部分器械進(jìn)行特殊處理，以便它們和手柄之間以及相互之間的交互。這些器械大致分為3類：

（1）不需要特殊處理，無交互需求的器件，這些器件包括天花板，無影燈，燈泡，門等。

（2）有簡單交互需求的器件，這些器件包括地板、墻壁、手術(shù)床、手術(shù)器材桌等，這些器件本身是不需要移動的，但是它們必須具有碰撞功能，所以需要給這些器件添加剛體和碰撞模型，使得它們在與手術(shù)器械等發(fā)生碰撞時，對手術(shù)器械產(chǎn)生力的作用。如手術(shù)器械掉至地面時停留在地面上，而不是穿過地面。

（3）有交互需求的器件，這些器件是各種手術(shù)器械，由于這些手術(shù)器械是需要能夠自由活動的，所以它們的運(yùn)動和碰撞要盡量真實(shí)，識別到手柄的撿拾操作時，必須跟隨手柄運(yùn)動。所以這些器械要加入剛體和精細(xì)的碰撞模型，還要加入重力系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 3D建模設(shè)計(jì)

3D模型的開發(fā)是整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是主要工作之一。由于三維場景中的大部分物體都是靜物模型，對于這些模型，建模時需使它們的網(wǎng)格盡量簡單，這樣能加快系統(tǒng)的加載和渲染。系統(tǒng)需要的虛擬手術(shù)模型分為三部分，第一部分是手術(shù)室模型，用于搭建虛擬手術(shù)室空間，包括分為墻、天花板、門和通風(fēng)窗；第二部分是手術(shù)室的器材模型，比如手術(shù)床、無影燈、手術(shù)器械桌、手術(shù)器械和燈等，第三部分是手術(shù)對應(yīng)的人體模型，本文是人體顱骨模型。其分類如圖2所示。

圖2 虛擬手術(shù)模型分類圖

3.1.1 手術(shù)室建模

整個手術(shù)室模型如果當(dāng)做一個整體模型來建模，建模過程會過于復(fù)雜，模型面片也會過多，影響載入速度和處理效率。所以本文采用各個部分分別建模的方式，通過對手術(shù)室內(nèi)部布局以及不同部分功能的分析，手術(shù)室模型分為墻、天花板、門和通風(fēng)窗。

（1）墻、天花板：長寬各為8 m的正方形構(gòu)成。

（2）通風(fēng)窗：通風(fēng)窗的模型是基于一個長方體模型內(nèi)部采用布爾操作去掉后，向內(nèi)部加入13個相同的長方形制作而成的。

（3）門：門的模型分為四部分建立，門框是由三個長方體組成，門由一塊長方體做布爾操作去掉中間部分后做成，門上的玻璃是一塊長方體，門把手是通過球體和圓柱體組合而成。

3.1.2 手術(shù)器材建模

手術(shù)室內(nèi)主要需要建模的是手術(shù)床、無影燈、手術(shù)器械桌、手術(shù)器械、燈。

手術(shù)床模型的建立比較復(fù)雜，采用分塊設(shè)計(jì)的方法分別設(shè)計(jì)支持結(jié)構(gòu)，表面和其他小部件，最后將所有模型成組。由于手術(shù)床上有許多地方都是不規(guī)則的，所以對于手術(shù)床的建模采用最多的是FFD工具。本系統(tǒng)使用的手術(shù)床的三維模型如圖3所示。

圖3 手術(shù)床三維模型

無影燈模型、手術(shù)器械桌、燈的建模復(fù)雜程度不高，由于沒有特殊形狀圖像，按照上述方法對各部分建模最后成組即可。

手術(shù)器械的建模由于是針對特定的下頜骨單線骨折手術(shù)，所以建立的手術(shù)器械模型都是下頜骨修復(fù)手術(shù)中需要的手術(shù)器械。為了使得手術(shù)仿真的效果更好，這些器件的模型都是根據(jù)實(shí)際物體精細(xì)制作的。下頜骨骨折手術(shù)模型包括：螺釘、鉆頭、螺絲刀、鈦合金板。本系統(tǒng)使用的手術(shù)器械的三維模型如圖4所示。

圖4 手術(shù)器械三維模型

3.1.3 顱骨三維模型重建

顱骨CT數(shù)據(jù)通過四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院對下頜骨斷裂病人的頭部CT掃描獲得。原始的CT數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)格式為DICOM格式，通過Mimics Medical軟件顯示顱骨CT的三視圖，并對CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，導(dǎo)出的模型再經(jīng)過3ds Max的處理后以FBX格式的文件導(dǎo)出。顱骨CT圖像的三視圖以及三維重建后的顱骨模型如圖5所示。

圖5 顱骨CT的三視圖和重建之后三維模型

但是很多情況，三維重建的人體模型網(wǎng)格可能會過于復(fù)雜，這樣在模擬手術(shù)過程中可能會產(chǎn)生場景加載過慢，交互反饋延遲等現(xiàn)象，影響虛擬手術(shù)的真實(shí)感和沉浸感。所以在場景組件很多的情況下，需要對人體模型網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化，以加強(qiáng)虛擬手術(shù)系統(tǒng)交互的實(shí)時性。網(wǎng)格優(yōu)化流程如圖6所示，將三角面網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為四面體網(wǎng)格優(yōu)化。三角面網(wǎng)格優(yōu)化可以使用3Ds Max來進(jìn)行削減、平滑處理，減少模型的頂點(diǎn)數(shù)和面片數(shù)。但是當(dāng)模型需要用于剛體的切割、軟組織形變等情況的仿真時，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成有限元子單元，再進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化就很必要了。

圖6 網(wǎng)格優(yōu)化流程圖

3.2 燈光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了提高虛擬手術(shù)的真實(shí)感和使用者的沉浸感，虛擬場景中的光照設(shè)計(jì)是非常重要的環(huán)節(jié)。Unity3D的內(nèi)置的光源有3種：點(diǎn)光源、投射光、方向光。每種光源的屬性包括：方向、投射、顏色、衰減、范圍、類型等。

點(diǎn)光源：點(diǎn)光源是從一個點(diǎn)發(fā)出的光，是最普通的一種光照類型，常用來模擬燈泡發(fā)出的光，它所耗費(fèi)的圖形處理資源是最少的。

投射光：投射光只能在一個方向上投影，照亮區(qū)域是一個圓錐范圍。這種光源適合用作對手電筒，車燈等的模擬，這種光源耗費(fèi)的顯卡資源是最多的。

方向光：方向光是平行光源，相當(dāng)于放置在無限遠(yuǎn)處的光源。這種光源通常用來模擬陽光和月光等自然光。

針對手術(shù)室內(nèi)的燈光系統(tǒng)，需要至少兩種光源，一種是點(diǎn)光源，一種是投射光。點(diǎn)光源用來模擬手術(shù)室內(nèi)的日光燈；投射光用來模擬無影燈，Unity3D的投射光源可以選擇是否顯示陰影，選擇無陰影可以模擬無影燈效果。

燈光系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：

（1）向場景中導(dǎo)入燈的模型，將燈的模型放置在合適的位置。

（2）給燈的模型添加Light glow材質(zhì)，并調(diào)整材質(zhì)，使其形似發(fā)光體。

（3）點(diǎn)擊Game Object菜單，點(diǎn)擊Light選擇Point Light，將場景中新生產(chǎn)的點(diǎn)光源放置到燈模型下面。

（4）選中點(diǎn)光源，在屬性面板中調(diào)節(jié)其屬性，Color調(diào)整為白色，Intensity和Bounce Intensity調(diào)整為0.4，Shadow Type調(diào)整為Soft Shadows。其他選項(xiàng)默認(rèn)。

（5）按上述步驟實(shí)現(xiàn)其他三個燈光。

（6）無影燈的實(shí)現(xiàn)前面的步驟與上述步驟相同，只是添加光源的時候添加的是Spot Light，Shadows Type為No Shadows。

3.3 場景交互實(shí)現(xiàn)

交互系統(tǒng)是虛擬手術(shù)系統(tǒng)核心功能之一，交互系統(tǒng)為用戶提供了一個和虛擬世界互動的途徑。

3.3.1 碰撞檢測實(shí)現(xiàn)

基于HTC Vive高精度的定位功能，通過對手柄空間位置的獲取，可以做到對微小物體的操作。但是這些操作都需要基于碰撞檢測，檢測各個模型之間是否發(fā)生了碰撞。目前層次包圍盒法是應(yīng)用最為廣泛的碰撞檢測算法，它檢測精度一般，通用性比較強(qiáng)，能適合于不太復(fù)雜物體的各種碰撞的場合，比較常用的包圍盒類型有包圍球、軸向包圍盒（AABB）、方向包圍盒（OBB）等。比如地板，手術(shù)床等就是使用基于軸向包圍盒（AABB）的碰撞檢測。但本文的顱骨和手術(shù)器械模型比較精細(xì)，采用的是基于網(wǎng)格的碰撞檢測。

3.3.2 重力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

加入重力系統(tǒng)為了使虛擬場景盡可能真實(shí)，當(dāng)對虛擬手術(shù)場景的物體進(jìn)行觸碰、拾取、傳遞等操作時，重力作用是很有必要的。所以進(jìn)行交互的模型，它們的運(yùn)動要盡量真實(shí)，給這些模型添加重力，使得物體可以按照其重力做自由落體運(yùn)動。

3.3.3 器械的拾取和釋放實(shí)現(xiàn)

對于物體的撿取和釋放操作時交互的基本功能，為了對虛擬世界中的物體進(jìn)行撿取，首先要把現(xiàn)實(shí)世界的操作還原到虛擬世界中去，在虛擬空間內(nèi)兩個物體之間做碰撞檢測，檢測到碰撞后再通過判斷是否拾取，如果處于拾取狀態(tài)，則為目標(biāo)添加鉸鏈關(guān)節(jié)，接著將關(guān)節(jié)連接到手柄碰撞體上，則實(shí)現(xiàn)了對于物體的拾取，當(dāng)判斷到釋放狀態(tài)時，結(jié)束坐標(biāo)跟隨變化即可。本文的下頜骨骨折虛擬手術(shù)系統(tǒng)中，拾取手術(shù)用螺絲刀的效果如圖7所示，使用者通過操作手柄能夠很好地進(jìn)行交互，拾取螺絲刀和其他物體。

圖7 拾取物體效果圖

3.3.4 顱骨模型交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

顱骨和手柄的交互有其特殊性，手術(shù)器械和手柄的交互主要是用手柄對手術(shù)器械進(jìn)行拿起、移動、旋轉(zhuǎn)、放下等，所以手術(shù)器械處于完全自由的狀態(tài)，而且要受到重力的作用。而顱骨模型上半部分應(yīng)當(dāng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，不能移動也不受重力等的作用，而下頜骨部分處于斷裂狀態(tài)，需要在場景中對下頜骨進(jìn)行對位，這樣整個顱骨模型應(yīng)當(dāng)分為三部分：下頜骨左半部分、下頜骨右半部分、顱骨其他部分?？紤]到這個系統(tǒng)后續(xù)的設(shè)計(jì)主要面向手術(shù)流程的仿真，所以這里簡化設(shè)計(jì)，將顱骨下頜的其中一塊設(shè)計(jì)為可變的，這里選擇右下頜骨，其他部分均設(shè)計(jì)為不可移動的。右下頜骨完全相同的兩部分存在于三維場景中，其中一塊處于斷裂狀態(tài)，另一塊處于閉合狀態(tài)，初始狀態(tài)將閉合的一塊設(shè)計(jì)為不渲染狀態(tài)，只渲染斷裂的部分。當(dāng)手柄碰觸到斷裂的下頜骨時，將斷裂下頜骨設(shè)為不渲染，而渲染出閉合狀態(tài)的下頜骨，則實(shí)現(xiàn)了對斷裂下頜骨進(jìn)行對位的操作。

3.4 手術(shù)室瞬間移動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練時，往往會受場地限制，實(shí)際訓(xùn)練場地大小不一定會按照手術(shù)室大小設(shè)計(jì)。于是就需要手術(shù)室瞬間移動系統(tǒng)來克服訓(xùn)練場地大小問題。

瞬間移動系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是對頭盔和手柄空間位置的改變，由于虛擬手術(shù)場景中所有的移動需求都在一個平面上，所以只需要設(shè)置XZ平面的自由移動。瞬移系統(tǒng)的基本原理是通過手柄發(fā)出激光線，激光線與設(shè)置好的地面發(fā)生交叉時可以獲得一個交叉點(diǎn)，在場景中更新這個坐標(biāo)給頭盔即可實(shí)現(xiàn)移動。

瞬間移動系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)借助VRTK工具包來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）添加地面，地面的實(shí)質(zhì)是一個長方體，它的作用是求出地板和激光的交叉點(diǎn)坐標(biāo)，所以地面和場景中的地板應(yīng)處于同一個水平面上。而且地面長方體需要添加碰撞盒子。

（2）給控制器添加VRTK_Controller Events腳本，這個腳本的作用是當(dāng)手柄的任意按鍵被按下時，腳本發(fā)出一個可以被全局監(jiān)聽的事件，其他的腳本通過監(jiān)聽相應(yīng)的事件就可以執(zhí)行相應(yīng)的操作。

（3）給控制器添加激光功能，這個功能的作用是發(fā)出激光。由于需要實(shí)現(xiàn)和地面長方體的碰撞，激光顯然必須是一個實(shí)體，所以激光的本質(zhì)是一個長方體，只是它的長度值很大，而高和寬非常小，視覺效果上形同激光線，為了它能夠和地面長方體交互，也需要給它添加碰撞盒子。

需要注意的是，用于碰撞檢測的地面長方體和原場景中的手術(shù)室地板上表面要重合，這樣才能準(zhǔn)確地移動到相應(yīng)的位置。

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試環(huán)境

系統(tǒng)測試環(huán)境：

處理器：Inter?Core? i5-6500 CPU@3.20 GHz

顯卡：Nvidia GeForce GTX 1060 6 GB

硬盤：希捷 ST1000DM010-2EP102

顯示器：冠捷 AOC2779 2779

VR設(shè)備：HTC Vive

4.2 整體測試效果

下頜骨骨折虛擬手術(shù)系統(tǒng)的整體測試效果如圖8所示，系統(tǒng)展現(xiàn)的虛擬手術(shù)場景基本還原了下頜骨骨折手術(shù)室的場景。

圖8 測試效果圖

4.3 系統(tǒng)易用性和仿真度測試

對系統(tǒng)仿真度和易用性的測試找來5名醫(yī)學(xué)院學(xué)生和5名其他學(xué)院學(xué)生作為志愿者，其中男女各5人。志愿者分為兩組，醫(yī)學(xué)院學(xué)生編號D1～D5，其他學(xué)院學(xué)生編號O1～O5。

（1）仿真度測試

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：10位同學(xué)分別帶上HTC Vive眼鏡，眼鏡里顯示手術(shù)室場景。通過環(huán)顧場景，對場景的沉浸感和仿真程度做出打分，范圍0～10，0分為最低分，10分為滿分。

仿真度測試結(jié)果如圖9所示。通過10位同學(xué)對仿真程度的測試，對仿真度的平均打分為7.7分。分析發(fā)現(xiàn)醫(yī)學(xué)生的打分均值較低，主要反映是手術(shù)室場景較為簡單，沒有真實(shí)手術(shù)室場景復(fù)雜，而其他學(xué)生的打分均值為8.0分，主要的意見是顆粒感較強(qiáng)，沉浸性不夠。

圖9 仿真度測試統(tǒng)計(jì)圖（D均值：7.4，O均值：8.0）

（2）易用性測試。上述10位同學(xué)，順序隨機(jī)進(jìn)入測試環(huán)境，測試項(xiàng)目分為4項(xiàng)：

①進(jìn)入場景成功拿起螺絲刀所需次數(shù)；

②進(jìn)入場景成功拿起螺釘所需次數(shù)；

③成功觸碰使下頜骨歸位所需次數(shù)；

④在場景中瞬間移動操作成功所需次數(shù)。

每位同學(xué)進(jìn)入測試環(huán)境后，先向其講解一遍虛擬手術(shù)系統(tǒng)的使用方法，然后直接開始依次做上述操作。

撿取螺絲刀的測試結(jié)果如圖10所示。

撿取螺釘?shù)臏y試結(jié)果如圖11所示。

圖11 撿取螺釘次數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

觸碰顱骨模型骨折部位，使下頜骨骨折部分歸位的測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 觸碰歸位次數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

在虛擬手術(shù)場景中進(jìn)行瞬間移動的測試結(jié)果如圖13所示。

圖13 瞬間移動次數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

通過對圖10、圖11、圖12以及圖13中的10名同學(xué)易用性測試的統(tǒng)計(jì)可以看出，撿取螺絲刀操作、碰觸下頜骨歸位操作與瞬移操作比較簡單，成功率較高。而撿取螺釘操作，由于螺釘比螺絲刀小很多，且在觸碰到時不會有提示，所以操作難度較其他三種高，可能需要短時間的訓(xùn)練。但本虛擬手術(shù)系統(tǒng)整體上還是體現(xiàn)了易上手，便于操作的特點(diǎn)。

4.4 測試結(jié)果分析

對于螺絲刀和螺釘?shù)膿烊∫约皩ο骂M骨的觸碰操作反映出物體的3D模型精細(xì)程度較高，它們的碰撞盒子和3D模型契合度也較高。所以如果原物體模型較小的話，拾取操作會較難完成。雖然全部采用基于網(wǎng)格的碰撞模型會很好地模擬器械之間的碰撞交互真實(shí)感，但是也會造成操作上的困難。因此可以考慮對一些尺寸較小的器械如螺釘添加較大的碰撞模型，便于使用者進(jìn)行拾取等操作。然后在進(jìn)入堅(jiān)固內(nèi)固定術(shù)流程時將較大的碰撞模型替換為精細(xì)模型，這樣也可以解決交互真實(shí)性的問題。

5 結(jié)束語

本文使用Unity3D引擎開發(fā)了一套基于HTC Vive平臺的下頜骨單線骨折虛擬手術(shù)系統(tǒng)，為醫(yī)學(xué)生和新晉醫(yī)生提供一個真實(shí)的手術(shù)環(huán)境，并提供一些基礎(chǔ)的交互功能，從而達(dá)到手術(shù)訓(xùn)練的目的。在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，通過3ds Max軟件建立了手術(shù)室的模型和手術(shù)器械模型及其他的手術(shù)室常見模型，通過Mimics軟件對病人頭部CT數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建得到了顱骨的三維模型，通過Unity3D開發(fā)引擎對場景進(jìn)行了集成，并對相應(yīng)的器械添加了交互功能，最終的系統(tǒng)可以為使用者提供視覺的手術(shù)場景，提供對場景內(nèi)物體的操作功能，提供使用者在場景內(nèi)的瞬間移動功能。通過10位志愿者對系統(tǒng)的測試，手術(shù)室場景的仿真程度較高，簡單的培訓(xùn)后，使用者即可順利地完成對系統(tǒng)的使用，從而也論證了將HTC Vive設(shè)備運(yùn)用到手術(shù)仿真系統(tǒng)的可行性，為系統(tǒng)的繼續(xù)改進(jìn)提供了基礎(chǔ)。本系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建手術(shù)場景，對醫(yī)生和學(xué)生的訓(xùn)練技術(shù)具有可避免潛在傷害、突破時間空間限制、節(jié)約資源等優(yōu)勢。