基于虚拟现实技术的腹腔镜操作培训器的设计与应用

罗 伟，刘永安，郑卫华

基于虚拟现实技术的腹腔镜操作培训器的设计与应用

罗 伟，刘永安，郑卫华

目的：设计一种用于指导操作和教学演示的腹腔镜模拟培训装置，以提高培训效果和质量。方法：结合腹腔镜实物模型，利用计算机三维仿真技术进行建模，设计出模拟培训装置。将在2010—2012年3 a中参加培训的医师随机分为2组，每组各60名。培训教学中，实验组使用腹腔镜模拟培训装置，对照组使用传统手术方式，比较2组医师培训后的操作考核成绩。结果：经过统计学分析，P〈0．05，表明2组操作考核成绩有显著差异。结论：使用腹腔镜模拟培训装置可较大幅度地提高参加培训医师的成绩和操作水平。

虚拟现实技术；仿真技术；腹腔镜；临床教学

0 引言

虚拟现实技术是利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传感设备使用户沉浸在该环境中，实现用户与该环境自然交互的技术[1-2]。基于虚拟现实技术的手术仿真训练要实现虚拟产生多层次、多形态、相联关系复杂的三维虚拟人体组织，具有很强的人机交互性，要求定位和反馈精确度高。本文介绍了利用虚拟技术设计的腹腔镜模拟培训装置，用于临床教学和培训环节，取得了明显的效果。

1 虚拟医学手术教学应用概述

虚拟医学手术仿真训练是与医学相关的虚拟技术中难度较大的一种。在手术训练领域较前沿的是美国波士顿力学研究中心，他们采用的方法是利用偏振眼镜观看场景、虚拟手术器械模拟操作[3]。国内研究工作主要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，在计算机图形学的医学图像三维可视化算法方面取得了重大突破[4]。2000年，华中科技大学开始构建“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[5-6]。

我院通过将原有的医学影像图片、物体由二维图像转化为具有真实立体感的三维空间模型，有效地解决了医学模型不能旋转和缩放的瓶颈问题。通过利用虚拟现实技术提供的三维模型，操作者可以观察到医学模型的立体全貌。当移动物体时，物体能依据一定的自然规律做相应的动作和位置变化，真正地具备了事物本身的生理属性，让操作者得到身临其境的真实感。

2 虚拟腹腔镜培训模拟器设计

以电子腔镜手术的器械实物模型为依据，配合计算机多媒体技术和先进的图形三维重建算法，利用虚拟现实技术构建模拟训练装置。通过三维重建技术构建了虚拟人体腹腔的立体模型，训练操作者的一些腹腔镜操作基本技术而非整个手术过程。为了使模拟器下的操作更加接近临床实际手术，我们设计了一些手术训练模型，如肝脏模型、阑尾切除模型、腹腔模型等。操作者可以在这些模型上完成相应手术，并很快适应和掌握这些手术。

2.1 模型的设计与制作

制作1∶1的模拟人体腹部外观的训练操作装置。按手术操作习惯，在模拟人体腹腔上预留穿刺锥（Trocar）及摄影器械部位。内部采用塑料框架，外部覆盖一层仿人皮硅胶，其目的在于使操作者无法直接观察到操作。在装置的内部安装一个可以转向的LED光源，该光源可自由调节，照射不同的手术野。视屏数据采用网线的模式与计算机相连，通过视频采集软件以影像的形式呈现在屏幕上。同时，利用Kinect体感跟踪装置，进行姿态动作红外模拟定位。操作者自预留的穿刺孔插入腹腔镜手术器械，并可通过观看屏幕完成相关手术技术的训练及操作（如图1所示）。

2.2 三维仿真建模

2.2.1 建立腹腔的三维模型

通过Virtools5.0软件，对人体的腹腔模型进行重建，采集相关的CT、MRI、DSA等数据进行重建，模型三维化后，植入开发的操作平台系统软件中，如图2所示。

2.2.2 设计手术器械的操作环境和相关模型

根据手术的要求和特点，对手术器械进行三维模型的建立，经过贴图后形成真实的可操作器械模型，然后通过专门的力反馈设备进行运动特征定义，使之与实际的操作器械运动位置联动，形成逼真的操作感受。当操作者在进行腹腔镜模拟手术时，可以实时观察到虚拟手术腹腔模型的变化和真实手术效果，如图3所示。

图1 腹腔镜训练操作装置

图2 腹腔镜三维手术模型

图3 利用力反馈设备设计的虚拟腹腔镜手术模型

2.3 基本手术操作模型的设计

腹腔镜外科手术与传统外科手术最大的区别就是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来指导操作[5]。操作者无法直观地看到手术的部位，手也无法触及。为了让操作者通过训练适应屏幕及熟练地用腹腔镜手术器械来完成传统手术操作，我们设计了一系列的操作模型来评价和评分，如橘子剥皮操作模型、充水指套手术模型、小型实验动物模型、离体猪肠缝合模型、人体肝脏模型等[3]。一般腹腔镜手术模拟训练是一些简单且乏味的缝合、结扎、切开操作，容易使操作者丧失学习兴趣。我们通过手术训练模型加上体感互动的力反馈装置，很容易增加操作的趣味性及可评估性，使得操作者不知不觉熟悉了各种常用手术操作。

2.4 腹腔镜操作训练

腹腔镜器械多为直线型，而打结等操作需要不断弯曲操作，由于在平面的显示屏幕上只能看到模拟腹腔内器官的平面影像，看不到立体影像，难以判断纵向深度，定位困难。我们通过在虚拟现实软件系统中建立一些模拟环境，连接上力反馈设备，完成各种打结方法，如单结、方结、外科结等，更直观地反映其操作过程，且具有真实的手感，并由考评专家系统对其操作进行评估。

3 临床应用结果

3.1 培训形式和方法

培训授课采用桌面计算机工作站操作，在平时的教师授课中，多采用桌面计算机工作站操作，用桌面虚拟现实沉浸体验来进行互动教学。对于手术预演、远程手术教学，采用医学专家会议厅多媒体演示，可以更好地实时互动，操作起来一目了然，增加了与专家互动的机会和途径。

由于采用了网络云技术，大量的信息数据存储于医学院自建私有的云里，可以实现高速的存储和分析。对于三维数据的计算和实现，云存储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[3-4]，可以满足足够多的用户在不同的时间和不同的实验场地并行使用软件的数据库和进行其他操作。手术培训教师在培训时通过云技术网络系统，对所在班级的受训者进行全程实时监控，可以在同一时间进行屏幕多分屏显示，进入任何一个操作窗口都可看到学员操作的实际情况，还能通过网络实时语音操作界面，对学员操作进行解说和提示。与此同时，学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。

3.2 虚拟系统培训效果

选择2010—2012年3 a参加培训的医师，随机分为2组，每组各60名。实验组使用虚拟培训系统，对照组使用传统手术教学。2组操作考核成绩有

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）显著差异（P〈0.05），见表1。

表1 2010—2012年使用及未使用虚拟操作系统医师成绩对比表

4 讨论和结论

（1）虚拟手术操作可以使被训练者沉浸于构建好的虚拟场景中，达到身临其境的感觉。不仅具有视、听、触觉感知，而且具有真实的手感以及零风险、多重复性、自动指导等优点，迅速高效地提高学习者的手术及其他操作的技能。腹腔镜训练模拟器使了解和学习各种手术实际操作成为了可能。

（2）对腹腔镜手术设备投入成本也应该加以控制，让其物尽其用[3]。设计这种简易训练模型成本低廉、制作简便、模拟逼真，能较好地训练医学生掌握腹腔镜手术的基本技能[4]。

（3）腹腔镜手术模拟训练器的设计与应用中加入了对学生的综合评价，提高了其教学评价功能的深层次发展和全面评估[2，5]，为对受训医生进行评分评价考核，为医学院和教学医院的医学专家培训，既提供了教学指南，又提供了集培训者和受训者双方质量考核于一体的一系列综合评估管理系统。该系统为我院的手术教学工作提供了重要的途径和手段，满足了医院微创手术的人才培养需求，进一步为医疗事业的发展服务。

[1] 胡小强.虚拟现实技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2005：68-72.

[2] 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.

[3] Hunter JG.The case for fellowship in gastrointestinal and laparoendoscopic surgery[J].Surgery，2002，132：523-525.

[4] 曾芬芳.虚拟现实技术[M].上海：上海交通大学出版社，2005：125-129.

[5] 罗伟，田夫，李珊珊，等.虚拟现实技术在医疗中的应用[J].中华医院管理杂志，2005，21（12）：837-838.

[6] 赵沁平.DVENET分布式虚拟现实应用系统运行平台与开发工具[M].北京：科学技术出版社，2005.

（收稿：2013-06-19 修回：2013-11-27）

Design and application of laparoscope operating training device based on virtual reality technology

LUOWei,LIU Yong-an,ZHENGWei-hua
(The First People's Hospital of Jingzhou City,Jingzhou 434000,Hubei Province,China)

Objective To design a training device for the instruction and demonstration of the operating of the laparoscope．Methods The solid model and computer 3D simulating technology were used for the modeling and designing of the device．From 2010 to 2012,120 physicians involved in the training were divided into a experimental group and a control group random ly．The physicians in the experimental group made use of the simulating training device,and the ones in the control group used the traditional mode．The examination scores of the physicians in the two groups were compared．Results The scores of the physicians were significantly different,with P〈0．05．Conclusion The laparoscope operating training device can enhance the score and operating level of the physician greatly． [Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（8）：37-38，50]

virtual reality technology;simulation technology;laparoscope;clinical teaching

R318．6；TH773

A

1003-8868（2014）08-0037-03

10．7687/J．ISSN1003-8868．2014．08．037

湖北科技支持项目（2011HB-EP-4665）专 利：国家发明专利（ZL 201010543896．X）

罗 伟（1978—），男，高级工程师，主要从事医疗器械设计、虚拟现实技术、医学影像技术方面的研究工作，E-mail：luowei1949@gmail．com。

434000湖北荆州，荆州市第一人民医院（罗 伟，刘永安，郑卫华）

刘永安，E-mail：48364641@qq．com