用于臨床技能培養(yǎng)的口腔顱頜面數(shù)字化虛擬手術(shù)平臺的建立與應(yīng)用

張楚茜 回文宇 林艷萍 吳錦陽 陳士行 楊成帥 劉念 張勇 張詩雷

口腔顱頜面區(qū)域解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手術(shù)操作要求精準(zhǔn)、微創(chuàng)，需要進行大量的學(xué)習(xí)及操作訓(xùn)練[1]。傳統(tǒng)的手術(shù)教學(xué)主要通過書本或多媒體的文字講解、CT/MRI等影像數(shù)據(jù)及手術(shù)錄像的展示，配合尸體頭顱的解剖訓(xùn)練，但這種方式不夠直觀，缺乏沉浸感，且尸頭解剖成本較高，手術(shù)操作無法重復(fù)[2]，更無法多次進行手術(shù)模擬及規(guī)劃。同時，口腔顱頜面手術(shù)多在口腔內(nèi)進行，或采用局部的微小切口，視野狹窄，手術(shù)教學(xué)難度較高。與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，基于虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）的手術(shù)平臺可反復(fù)多次虛擬解剖，且視野清晰，是更加有效的教學(xué)方式[3-4]。

我們針對口腔顱頜面科手術(shù)操作復(fù)雜、教學(xué)難度較大的特點，自主研發(fā)了適用于醫(yī)學(xué)生及青年口腔顱頜面外科醫(yī)生的手術(shù)培訓(xùn)軟件CMF Robot Plan，并對20名上海交通大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院的實習(xí)學(xué)生及青年醫(yī)師進行了手術(shù)模擬的教學(xué)及操作培訓(xùn)，取得了良好的教學(xué)成果，具體報道如下。

1 材料與方法

1.1 建立口腔顱頜面外科虛擬手術(shù)平臺并驗證精度

口腔顱頜面外科虛擬手術(shù)系統(tǒng)主要包括醫(yī)學(xué)圖像的處理、手術(shù)器械的可視化及外科手術(shù)的虛擬與仿真三部分。在軟件建立完成后，與廣泛應(yīng)用于臨床的商業(yè)化軟件 SimPlant 11.04（Materialise公司，比利時）進行對比，驗證其精度。

1.1.1 醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的處理及三維建模

醫(yī)學(xué)圖像的處理及三維重建是虛擬手術(shù)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，本研究采集正常人的全頭顱CT（64層螺旋CT，層厚1.25 mm，顱頂-舌骨水平），利用MC（Marching Cubes）面繪制算法，結(jié)合漸近線判別法，生成相應(yīng)組織的三角面片模型，對三角面片網(wǎng)格模型進一步進行光照渲染，即可得到滿足口腔顱頜面外科虛擬手術(shù)軟件需要的三維幾何模型（圖1）。

圖1 CT數(shù)據(jù)三維重建的光照渲染顯示Fig.1 Light rendering of 3D reconstruction of CT data

1.1.2 手術(shù)器械的可視化

為了更加真實地模擬手術(shù)，就需要在虛擬手術(shù)平臺上實現(xiàn)手術(shù)器械的可視化，通常用于手術(shù)操作的器械有來復(fù)鋸、鉆針及磨頭等。

選取口腔顱頜面外科截骨切割所用的鋸片、鉆針等，置于天遠三維掃描儀 OKIO-Ⅱ下進行非接觸式掃描，測量精度0.02 mm，獲取手術(shù)器械的點云數(shù)據(jù)，運用反求構(gòu)建法實現(xiàn)器械的三維重建，導(dǎo)出為STL格式文件，即可被軟件識別（圖2）。進行虛擬手術(shù)操作時，可根據(jù)不同的術(shù)式選擇導(dǎo)入不同的手術(shù)器械，模擬真實的手術(shù)環(huán)境。

圖2 手術(shù)器械可視化的建立Fig.2 Establishment of surgical instrument's visualization

1.1.3 外科手術(shù)的虛擬與仿真

根據(jù)口腔顱頜面外科手術(shù)的具體臨床操作，進行常用術(shù)式的模塊設(shè)計，包括頜骨腫瘤的切除、正頜手術(shù)及種植手術(shù)等。要完成這些手術(shù)需要實現(xiàn)場景視角的轉(zhuǎn)換與放大縮小、手術(shù)區(qū)域的分割、頜骨的移動等功能。

通過在虛擬手術(shù)軟件中建立模型坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系、觀察坐標(biāo)系及屏幕坐標(biāo)系之間的矩陣轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)選中區(qū)域的視圖調(diào)整，即視角的切換與縮放。根據(jù)病變的范圍及解剖標(biāo)志選取操作區(qū)域，通過切割功能模擬截骨、腫瘤分離（圖3）等，分割結(jié)束后，可對任意區(qū)域進行旋轉(zhuǎn)、移動及移除等操作（圖4）。

圖3 下頜骨腫瘤切除手術(shù)模擬Fig.3 Simulation of mandibular tumor resection surgery

圖4 上頜骨LefortⅠ型截骨模擬示意Fig.4 Simulation of the LefortⅠosteotomy of the maxillary

1.1.4 口腔顱頜面外科虛擬手術(shù)系統(tǒng)的精度驗證

此部分將CMF Robot Plan與商業(yè)化軟件Sim-Plant 11.04（Materialise公司，比利時）進行對比精度驗證，測量的結(jié)果通過統(tǒng)計學(xué)分析檢驗，對軟件在二維線距和角度測量的一致性進行分析。

選取10例頜骨畸形患者的CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入CMF Robot Plan及SimPlant 11.04虛擬手術(shù)軟件中，在頭顱CT側(cè)位斷層面選取鼻根點N、蝶鞍中心點S、上齒槽座點A，測量NA兩點之間的距離及SNA角度，以t代表 CMF Robot Plan測量組，r代表Sim-Plant 11.04測量組，利用統(tǒng)計學(xué)軟件 SPSS對兩組數(shù)據(jù)（表1）進行組內(nèi)相關(guān)系數(shù)檢驗、差值正態(tài)性檢驗及Bland-Altman統(tǒng)計分析。

1.2 虛擬手術(shù)手術(shù)教學(xué)及操作培訓(xùn)

選擇20名上海交通大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院實習(xí)學(xué)生或剛進入專科醫(yī)師培訓(xùn)基地的年輕醫(yī)生進行手術(shù)模擬的教學(xué)及操作培訓(xùn)。教學(xué)分為兩組進行，10人一組，由兩名經(jīng)驗豐富的高級職稱顱頜面外科專家進行手術(shù)模擬的教學(xué)講解及示范操作。操作分為4組進行，每組5人，每組均有兩名已經(jīng)過軟件培訓(xùn)、操作熟練的外科醫(yī)生進行現(xiàn)場指導(dǎo)。每位學(xué)員都在虛擬手術(shù)平臺進行從模型三維重建到模擬截骨、移動一系列的操作流程，操作分為頜骨腫瘤切除、Le FortⅠ型截骨、雙側(cè)下頜骨矢狀劈開、頦成型手術(shù)4個模塊。操作完成后，由兩位專家對受訓(xùn)醫(yī)師的手術(shù)方案進行評估，分析不足的原因，經(jīng)多次實踐后達到手術(shù)模擬訓(xùn)練的目的。

表1 實驗組與對照組的測量數(shù)據(jù)Table 1 The measurement data of experimental group and control group

2 結(jié)果

我們自主研發(fā)了虛擬手術(shù)軟件CMF Robot Plan，并獲得了計算機軟件著作權(quán) （登記號：2018SR229646）。與廣泛應(yīng)用于臨床的商業(yè)化軟件SimPlant 11.04進行精度一致性驗證，線距及角度的誤差分析顯示，所有點都在95%的一致線內(nèi)，兩者在線距、角度的測量功能上一致性較好（圖5）。

圖6 誤差分析圖Fig.6 Error analysis chart

該軟件為醫(yī)學(xué)生及青年醫(yī)生提供了一個仿真的手術(shù)環(huán)境，基本滿足口腔顱頜面外科常用手術(shù)的模擬，操作簡便，能實現(xiàn)對受訓(xùn)者手術(shù)規(guī)劃的教學(xué)及培訓(xùn)。受訓(xùn)的20名實習(xí)學(xué)生或青年醫(yī)生經(jīng)過簡單的培訓(xùn)后，均能順利進行系統(tǒng)的操作，對教學(xué)術(shù)式的理解及操作熟練度均有所提升。

3 討論

對學(xué)習(xí)者的臨床技能培訓(xùn)是保證醫(yī)療質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)?？谇伙B頜面部區(qū)域分布有大量重要的血管、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，且面部手術(shù)對美觀的要求較高，由于操作不熟練或缺乏經(jīng)驗造成的醫(yī)療差錯會對患者的功能及心理造成嚴重的創(chuàng)傷。美國每年因醫(yī)療失誤導(dǎo)致的死亡人數(shù)為44 000～94 000，而大部分醫(yī)療失誤是因創(chuàng)傷性的人為因素引起的[5]。2013年，世界衛(wèi)生組織估計全球約有1 740萬醫(yī)療專業(yè)人員短缺，傳統(tǒng)的教學(xué)模式效率低下、資源浪費較多，已不足以向所有學(xué)習(xí)者提供統(tǒng)一的、高質(zhì)量的醫(yī)療培訓(xùn)[6-7]。

數(shù)字化教學(xué)是通過數(shù)字技術(shù)進行教學(xué)和學(xué)習(xí)的行為，在培訓(xùn)時間和地點上有較大的靈活性，可涵蓋更多的受眾，且可重復(fù)性較高[7]。虛擬現(xiàn)實即是數(shù)字化教學(xué)的手段之一，是一種允許用戶實時探索和操縱計算機生成的三維多媒體感知環(huán)境的技術(shù)[8]。近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其中主要用于外科手術(shù)的培訓(xùn)。

在口腔顱頜面外科領(lǐng)域，已有研究聚焦于虛擬手術(shù)教學(xué)及模擬訓(xùn)練方面。Sohmura等[9]運用虛擬手術(shù)設(shè)備模擬了正頜外科的骨切割，該裝置允許外科醫(yī)生在手術(shù)前進行訓(xùn)練以提升手術(shù)的熟練度；Pohlenz等[10]設(shè)計了一種適用于牙科手術(shù)的模擬器Voxel-Man，并讓53名學(xué)生進行了根尖切除手術(shù)模擬訓(xùn)練，表明模擬器的力反饋系統(tǒng)、三維圖像感知等對牙科手術(shù)的學(xué)習(xí)是有效的；Pulijala等[11]開發(fā)并驗證了一種沉浸式虛擬現(xiàn)實Le FortⅠ截骨術(shù)訓(xùn)練工具，證實該系統(tǒng)可以較好地滿足臨床醫(yī)生的手術(shù)教學(xué)需要，使學(xué)習(xí)者快速、直觀地學(xué)習(xí)解剖結(jié)構(gòu)。以上研究均表明了虛擬手術(shù)平臺在口腔顱頜面外科教學(xué)和訓(xùn)練中的積極作用。但上述的虛擬手術(shù)系統(tǒng)大部分只對應(yīng)單一的手術(shù)模式，無法滿足多變的手術(shù)需求，且不具備手術(shù)規(guī)劃功能，商業(yè)化軟件（如Surgicase、Proplan等）部分功能端口不開放，費用昂貴，無法滿足大規(guī)模臨床技能培訓(xùn)的需求。

本研究自主研發(fā)了一套包含多種手術(shù)操作的口腔顱頜面外科虛擬手術(shù)模擬軟件CMF Robot Plan，該軟件具有開放式端口，可以整合于其他系統(tǒng)（如手術(shù)機器人等），有較為廣泛的臨床應(yīng)用范圍。我們利用該軟件對20名青年醫(yī)生或?qū)嵙?xí)生進行了手術(shù)模擬培訓(xùn)。這些受訓(xùn)者均沒有真正的手術(shù)經(jīng)驗，僅進行了軟件培訓(xùn)和虛擬手術(shù)練習(xí)。從反饋的信息發(fā)現(xiàn)，該軟件可幫助受訓(xùn)者精準(zhǔn)診斷、熟悉手術(shù)方式并進行手術(shù)效果的預(yù)判，為外科手術(shù)的初學(xué)者提供了良好的教學(xué)體驗。與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，利用虛擬手術(shù)平臺進行教學(xué)更有沉浸感和交互性，且可以針對每次實踐發(fā)現(xiàn)的問題和感興趣的手術(shù)類型進行反復(fù)練習(xí)，多數(shù)認為手術(shù)模擬訓(xùn)練對提升手術(shù)規(guī)劃能力及臨床技能是有益的，這與多數(shù)的報道相符[10，12-14]。

雖然本研究已顯示了一定的教學(xué)應(yīng)用效果，但存在以下問題：①虛擬手術(shù)軟件CMF Robot Plan與國外運用于口腔顱頜面外科的商業(yè)化虛擬手術(shù)軟件相比，功能模塊尚顯不足，僅具備簡單手術(shù)的模擬功能，無法將腓骨、肋骨等stl文件導(dǎo)入軟件進行精確的修復(fù)重建手術(shù)規(guī)劃；②軟件可選擇的手術(shù)器械有限，與實際手術(shù)所用的器械還有較大的差別，對學(xué)員熟悉及選擇實際手術(shù)中的器械幫助有限；③無法在三維立體空間上進行三維線距、角度的測量，且精度還有待進一步驗證；④教學(xué)實驗比較簡單，要進一步證明虛擬手術(shù)平臺的有效性還需更為嚴謹?shù)膶嶒灐?/p>

綜上所述，本研究自主研發(fā)的虛擬手術(shù)軟件CMF Robot Plan已具備了對口腔顱頜面外科基本手術(shù)操作的模擬規(guī)劃及教學(xué)功能，并初步證明了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在臨床技能培訓(xùn)中的有效性。虛擬現(xiàn)實手術(shù)培訓(xùn)解放了傳統(tǒng)教學(xué)對地點的限制，縮短了教學(xué)時間，可提供實時反饋，針對不足可反復(fù)練習(xí)。在今后的研究中，可以逐漸完善虛擬手術(shù)平臺的各項功能，并進一步評估其在手術(shù)教學(xué)中的作用，有望將之納入常規(guī)外科培訓(xùn)課程中，有較好的應(yīng)用前景。