基于虚拟现实技术的腹腔镜操作培训系统的研制

罗伟，吴明灿

1.荆州市第一人民医院 生物医学工程实验室，湖北 荆州 434000；2.长江大学临床医学院，湖北 荆州434000

0 前言

随着医疗事业的迅速发展，外科手术教学已成为一项重要的培训内容。为了培养更多更好的医学人才，基于虚拟现实技术的仿真手术、虚拟内窥镜检查和模拟介入手术等逐步成熟。虚拟现实技术（Virtual Reality Technology,VRT）利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传感设备使受训者沉浸到该环境中，实现受训者与该环境的自然交互[1-2]。本文阐述了基于虚拟技术的腹腔镜模拟培训装置的研制方法，该装置可使受训者在虚拟的环境下接触到各种逼真、复杂的三维虚拟人体组织，在仿真的环境下学习腹腔镜手术。

1 虚拟现实技术的医学教学应用

如今，医学教学中已经引入了虚拟手术技术，在国内外得到了广泛应用，例如美国波士顿力学研究中心利用偏振眼镜观看场景、虚拟手术器械模拟操作等。在国内，大部分的研究工作集中在对医学图像的三维重建及其可视化等基础技术方面，尤其在基于计算机图形学的医学图像三维可视化算法研究领域取得了较大的成果。华中科技大学于2000年在钟世镇教授的带领下构建“虚拟人”，在人体器官虚拟建模方面取得了很大进步，实现了医学模型360°旋转和任意倍数的缩放，还可以自由观察模型的内部结构等[3-4]。

本研究将我院图片存档与通讯系统（PACS）中的医学影像图片进行三维重建，改变医学模型不能全方位旋转和缩放的问题，再将三维模型传送到虚拟现实手术教学软件中，使得医师可以从不同的角度对手术对象进行观察，同时该模型还具备各种生理属性，能够让受训者有身临其境的感受。

2 虚拟腹腔镜培训系统的研制

参考电子腔镜手术的器械实物模型，利用计算机图像三维重建算法和虚拟现实技术构建模拟训练系统。首先，在计算机软件中构建虚拟人体腹腔的立体模型，训练操作者对腹腔镜的基本操作技术；其次，为了使训练装置更接近临床手术实际情况，制作了手术用人体器官模型，如肝脏模型、阑尾切除模型、腹腔外观模型等。操作者可以在这些模型上完成不同手术操作，掌握相应技能。

2.1 模型的设计与制作

模型主要以特制塑料框架作为内部支撑，用高仿人体硅胶覆盖框体表面作为人体皮肤。模拟人体腹腔的外观，见图1。在腹腔内放置体感应器，利用Kinect体感装置，进行姿态动作红外模拟定位，同时利用力反馈仪将手术器械连接在一起，对80 cm×80 cm范围内的物体移动情况进行三维坐标跟踪。同时，在模拟腹腔中放置LED光源作为腹腔镜的冷光源系统，可照射不同的手术野。体内安装1000万像素微型摄像机并与计算机的视频采集卡相连，通过视频采集软件将模拟腹腔内的情况以影像的形式展现在电视屏幕上。受训者通过观看屏幕图像、利用预力反馈腔镜手术模拟器械完成双手互动手术技能的训练及操作。训练实况，见图2。

图1 硅胶人体腹腔模型外观示意图

图2 受训者练习虚拟腹腔镜手术

2.2 三维建模

2.2.1 虚拟腹腔构建

通过虚拟现实软件，重建人体腹腔模型。利用PACS中的CT、MRI数据，进行三维重建处理，形成虚拟腹腔模型，并将其导入虚拟手术系统应用软件的数据库中。

2.2.2 手术模型构建

按照腹腔镜手术的要求，在虚拟手术系统中重建了手术器械的三维模型，并通过贴图形成逼真的器械模型。系统采用五维力反馈设备进行运动控制，联动操作手柄与系统控制的模型标志位。受训者双手控制器械做腹腔镜手术时，可实时观察显示屏上的虚拟手术场景变化，还可感受到真实的手术手感。虚拟腹腔镜操作界面，见图3。

图3 虚拟腹腔镜操作界面

2.3 常见手术考核评估模型

腹腔镜外科手术不同于传统外科手术，要通过特殊器械经腹壁孔道间接地处理病灶，术者必须通过观看二维的显示屏而不能只凭借手的直接感知来指导操作。这就要求术者要通过适应屏幕及熟练地运用腹腔镜手术器械来完成传统手术中用手来完成的各种操作。通过设计一定的操作模型来规范各项操作并可对操作进行评估，如囊肿手术模型中，若结扎阑尾根部不彻底，则操作中会有水流出，表明手术不是特别成功。常见虚拟腹腔镜技术操作模型的设计，见表1。

表1 常见虚拟腹腔镜技术操作模型的设计

2.4 虚拟腹腔镜操作系统优势

腹腔镜器械多为直线型，这使得医师在操作时会感觉到手不能弯曲。而诸如打结等操作需要有不断弯曲的动作，传统的腹腔镜手术操作方法不能满足这些操作需求。而在虚拟手术的操作窗口界面上，对于模拟的人体器官操作者可以任意地改变操作视野和观察角度，对于一些精细部位还可以通过增强图像显示来进行放大观察。

3 结果

3.1 培训标准化

通过运用虚拟腹腔镜操作系统，教师授课可采用桌面电脑工作站进行互动教学；手术预演、远程手术教学可采用医学专家会议厅进行多媒体演示，操作起来一目了然，同时还增加了与专家互动的机会。此外，该系统还完善地提供了抓取、夹持、切割、注射、缝合等多种手术交互训练方式，能够在手术区域执行冲洗和抽吸的功能；实现了动脉血管的跳动、流血、夹持止血过程模拟及烟雾、蒸汽等特效仿真。

该系统利用网络云技术可对大量的信息数据进行存储和计算，缩短了系统的响应时间，同时满足了大量受训人员使用软件系统的需求，并且解决了培训地点和时间的差异问题[5-6]。手术培训教师在培训时可对所在班级的受训人员进行全程实时监控，可以在同一时间进行屏幕分屏显示，通过任何一个操作窗口都可看到受训人员的实际操作情况，还能通过语音系统，对相关操作进行解说和提示。同时，受训人员每次在模拟器上的操作情况和成绩都被记录在系统后台数据库中，便于教师分析和查阅。培训系统还集成了一套多媒体手术考试系统，方便教师考评受训人员的培训效果。

3.2 培训效果

选择2009～2011年参加培训的医师，随机分为两组，每组各60名。实验组采用虚拟手术操作系统进行教学，对照组使用传统方法进行教学。两组操作考核成绩结果，见表2。两组考核成绩均有统计学差异（P<0.05），表明实验组的培训效果优于对照组。

表2 2009～2011年虚拟操作系统医师平均成绩对比表（分）

4 讨论

虚拟手术操作可以使医生完全沉浸在虚拟手术场景中，通过视、听、触觉等多种感知学习和掌握各种实际操作技术[7-8]。腹腔镜训练系统具有零风险、多重复性、自动指导的优点，可高效提高学习者的手术及其他操作的技能水平。此外，该系统还可以对学生做出综合评价，对受训医生进行评价考核，为医学手术培训提供教学平台，完善了考核培训者和受训者的一体化综合评估管理，具有良好的应用价值，值得在临床教学中推广。

[1]罗伟,李珊珊,魏晓峰,等.仿真手术刀在虚拟外科手术系统中的应用与研究[J].生物医学工程学进展,2010,31(3):149-152.

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[7]张媛,张志华,刘国通.消化内镜模拟训练系统在医师培训中的应用[J].中国医疗设备,2010,25(6):69-71.

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