髁突骨软骨瘤治疗的虚拟设计及教学模拟

于洪波，王 博，王旭东，沈国芳

上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔颅颌面科，上海市口腔医学研究所上海市口腔医学重点实验室， 上海 200011

·数字医学·

髁突骨软骨瘤治疗的虚拟设计及教学模拟

于洪波*，王 博*，王旭东△，沈国芳△

上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔颅颌面科，上海市口腔医学研究所上海市口腔医学重点实验室， 上海 200011

髁突骨软骨瘤是临床较为少见的疾病，患者常伴有严重的面部不对称畸形和功能障碍。由于畸形复杂多样，个体差异大，制定最佳的个体化治疗方案是临床医师一直追求的目标。同时，对经验欠缺的年轻医师的教学和培训也是一个难题。该研究尝试利用虚拟技术对髁突骨软骨瘤进行手术设计及预测，探索最佳化的治疗方案，恢复患者面部对称性及咬合功能，同时实现该疾病诊疗的教学及培训，获得了较好的效果。

髁突骨软骨瘤；虚拟现实；教学；培训；手术设计；预测

prediction

髁突骨软骨瘤在临床上较为少见，但可引发严重的面部畸形、功能障碍，并对患者的心理产生严重影响，由于畸形严重及复杂多样，治疗相对困难。探索最佳的个体化治疗方案，恢复患者面部对称性及良好的咬合关系，一直是临床医师努力追求的目标，而这需要多年经验积累和准确的预测性。同时，由于缺乏理想的媒介和工具，该疾病治疗的教学和培训也较为困难。

随着信息科学和生命科学的飞速发展，不同学科间的交叉和渗透，使得新兴技术越来越多地应用到医学领域。在医学手术教学和仿真训练等方面，虚拟现实(virtual reality,VR)技术有着不可替代的和令人鼓舞的应用前景[1]。通过该技术，医务人员可在虚拟模型上进行手术设计及预测，探索最佳的治疗方案[2]。我们将该技术应用于髁突骨软骨瘤的治疗及外科教学中，取得了较好的效果。

1 材料与方法

1.1 病例资料

选择来上海交通大学医学院就诊的髁突骨软骨瘤患者4例。其中，男1例，女3例，平均年龄24.6岁(22-29岁)。患者均表现为面部不对称，偏突颌畸形。全景片及CT扫描显示患侧髁突骨性突起膨隆，髁突高度较对侧增加，并且所有患者诊断均经术后病理证实。

1.2 CT扫描及虚拟重建

连续、无间隔、无重叠、螺旋方式水平位薄层扫描；层厚1.25 mm;图像512×512像素,140 kV，250 mA。扫描基准面平行于眶耳平面，垂直于水平面。扫描范围：颅顶至舌骨水平。数据输出格式为DICOM(digital im- aging and communications in medicine)格式，并刻录成光盘。

将CT数据输入ProPlan CMF 1.4(Synthes Materia- lise公司)软件系统，载入同时图像重建成体数据。改变CT值的窗宽、窗位使图像中只包含完整的骨组织，设定此时的CT洪斯菲尔德(Hounsfield)阈值来自动提取骨组织。经二维预处理(区域剪切、滤波)、三维预处理(切片插值、图像分割、切片重组)行骨组织的三维重建。在三维重建的颅颌面模型上，行区域增长(region growing)、布尔运算(boolean operations)，分离下颌骨。

1.3 虚拟手术设计及模拟

利用Proplan软件模拟截骨操作功能，在模型上行上颌骨Le Fort Ⅰ型截骨、健侧下颌支矢状劈开(sag- ittal split ramus osteotomy，SSRO)及患侧髁突切除术。根据患者面形及咬合关系，决定截骨块移动的量及方向。并利用经过冠突及鼻根点的正中矢状面作为对称平面，将健侧解剖结构及轮廓形态镜像到患侧，从而决定上下颌骨需要修整磨除的范围及量。在此三维重建虚拟模型上，可进行手术模拟及预测，探索最佳的治疗方案及效果，以求术后最佳的咬合功能及面部形态(如图1所示)。

虚拟环境下，操作者佩戴光谱分离立体眼镜观察显示器内的三维虚拟图像，选择需要观察移位的骨块(上颌骨、下颌骨及其截骨块)，在虚拟环境下以任意角度显示。利用Phantom Desktop力反馈设备接触颌骨碰撞模型，感受其反作用力(如图2所示)。双手佩戴数据手套在VR空间内对颅颌面骨模型进行操作，操作者抓持所需移动的骨块模型，在三维空间行平移、旋转等操作，改变它们的相对位置来模拟手术骨块的移动以矫治颌骨畸形，并行术后效果的显示及评价(如图3所示)。确定最终方案后，将设计模型数据以STL格式输出，在三维打印机上进行虚拟截骨导板及颌板的三维打印。

1.4 手术及随访

2 结果

虚拟环境下，操作者佩戴光谱分离立体眼镜，可从任意角度观察虚拟图像，沉浸感强。通过触觉反馈装置、数据手套在接触、抓持碰撞模型中产生实时力反馈感知；骨块移动过程中，与邻近骨的接触、碰撞时可感其反作用力；利用视觉、触觉及力觉多感知交互模型，模拟真实的手术操作，实现了图像及力触觉感知的实时反馈，最大程度地模拟了真实手术过程，完成了手术设计、操作训练及术后效果显示。

3 讨论

3.1 虚拟技术在手术教学中的重要性

近一个世纪以来，科技的发展和新技术的出现，推动了现代医学飞速发展和进步。然而，在手术教学及培训上，仍局限于观看图片、幻灯、录像、尸体解剖、临床观摩等方法，对年轻医师缺乏一种有效的手术操作训练手段。外科医师普遍存在培养时间长，手术风险大，手术操作锻炼机会少等问题。同时对于较为复杂的手术，现阶段术者只能在大脑中想象，无法行术前模拟演练，不能探索针对不同个体的最佳治疗方案。同时，治疗组成员间也存在沟通不畅，成员难以完全理解主刀医师的意图，组内配合欠默契的问题。而在面形及术后效果预测方面，由于其难预测性及缺乏理想的显示方法，即使经验丰富的医师仍感觉较为困难。术后面形及效果是患者极为关心并迫切希望了解的，缺乏有效沟通会增加医患矛盾及纠纷。

信息科学和生命科学的飞速发展，不同学科间的交叉和渗透，使得新兴技术越来越多地应用到医学领域。在医学手术教学和仿真训练等方面，VR技术有着不可替代的和令人鼓舞的应用前景[3]。通过该技术，医务人员可沉浸于虚拟的场景内，通过视、听、触觉感知并学习各种手术操作。而虚拟医学手术仿真训练是一种技术难度较大的研究，与其他VR技术相比，具有虚拟场景复杂，需要产生多层次、多形态、多相联关系的三维虚拟人体组织，人机交互性强，定位、反馈精确度要求高的特点。

3.2 虚拟手术研究进展

对于虚拟手术的手术教学及操作训练的功能，学者们进行了大量的研究。Windsor等[4]借助虚拟外科模拟系统对学习方式、内窥镜手术经验及操作技能之间的关系进行了研究。Lehmann等[5]利用内窥镜模型发现虚拟环境下获得的操作技术可直接应用于临床操作，而对于经验丰富的专家效果有限，提示模拟训练主要是培训以往临床上需要通过几年实践来获得的操作技能。Sternberg等[6]发现虚拟根尖截骨模拟系统可显著提高受训者的操作技能及自我客观评价能力，较好地满足临床医生的手术教学训练需要，使学习者快速直观地学习解剖结构，掌握手术操作，并且虚拟训练技能可直接应用于临床，具有较高的手术教学意义。

对虚拟外科手术而言，在CT数据重建出来的三维模型上进行切割、截骨、位移等手术操作是此类研究的重点和难点。Xia等[7]通过建立颅颌面骨的树状结构模型，实现虚拟环境下正颌手术的模拟操作及术后预测。该研究团队也尝试利用虚拟触觉反馈装置，实现了在重建模型上截骨、骨块位移等操作，从视觉、触觉感知上来模拟正颌手术[8]。该研究利用Proplan软件行颅面骨三维重建、截骨，各骨块经体数据重建，形成三维体数据的模型。在虚拟环境下行骨块三维空间旋转、移位模拟，减小了软件运算量，解决了截骨操作的难题，使虚拟手术模拟简便易行。

3.3 虚拟手术教学的意义

[1]Caloss R,Atkins K,Stella J P.Three-dimensional imaging for virtual assessment and treatment simulation in orthognathic sur- gery[J].Oral Maxillofac Surg Clin N Am,2007,19(3):287-309

[2]于洪波,沈国芳,刘炳凯,等.基于虚拟现实技术的正颌手术模拟预测方法的建立[J].中国口腔颌面外科杂志,2009,7(6):519-522

[3] Chou B，Handa V L．Simulators and virtual reality in surgical education[J].Obstet Gynecol Clin North Am,2006,33(2):283-296

[4]Windsor J A,Diener S,Zoha F.Leaning style and laparo- scopic experience in psychomotor skill performance using a virtual reality surgical simulator[J].Am J Surg,2008,195(6):837-842

[5]Lehmann K S,Ritz J P,Maass H,et al.A prospective ran- domized study to test the transfer of basic psychomotor skills from virtual reality to physical reality in a comparable train- ing setting[J].Ann Surg,2005,241(3):442-449

[6]Sternberg N,Bartsch M S,Petersik A,et al.Leaning by doing virtually[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2007,36(5):386-390

[7]Xia J,Ip HHS,Samman N,et al.Computer-assisted three-dim- ensional surgical planning and simulation:3D virtual osteo- tomy[J].Int J Oral Maxillofac Surg,2000,29(1):11-17

[8]于洪波,代杰文,于德栋,等.手术虚拟系统在正颌外科教学中的应用[J].中国医学教育技术,2014,28(1):75-78

其次，营造和谐的家庭氛围，缓解和消释工作压力。家庭幸福和谐也能促进教师的身心健康。家庭是社会的细胞，婚姻是家庭的轴心，良好的家庭氛围也是维持心理健康的条件。不把工作中的不快带回家里，或者通过家庭良好的氛围把工作中的不快消于无形，成为工作、学习的一种有益动力。

[9]Ramshaw B J,Young D,Garcha I,et al.The role of multime- dia interactive programs in training for laparoscopic proced- ures[J].Surg Endosc,2001,15(1):21-27

[10]Bloom M B,Rawn C L,Salzberg A D,et al.Virtual reality app- lied to procedural testing:the next era[J].Ann Surg,2003,237(3):442-448

[11]Yu H,Cheng J,Cheng A H,et al.Preliminary study of virtual orthognathic surgical simulation and training[J].J Cranio- fac Surg,2011,22(2):648-651

本刊2015年刊登重点(但不限于)

1、教育技术的理论研究及探索；

2、国内外教育技术的发展综述及教学改革方向；

3、混合式教学设计及案例；

4、MOOC背景下的教学重构；

5、MOOC时代下的课程建设与网络教学；

6、MOOCs实践与思考；

7、新技术支撑下的教育云建设及实践；

8、翻转课堂的实证研究

9、数字化技术在医疗、教学、科研中的实证研究。

欢迎赐稿！

《中国医学教育技术》杂志编辑部惟一的投稿信箱：cmet@mail.xjtu.edu.cn

联系电话：029-82655088

《中国医学教育技术》编辑部

Virtual design and teaching simulation of mandibular condylar osteochondroma treatment

YuHongbo*,WangBo*,WangXudong△,ShenGuofang△

DepartmentofOralandCraniomaxillofacialScience,NinthPeople'sHospital,ShanghaiJiaotongUniversitySchoolofMedicine/ShanghaiKeyLaboratoryofStomatology/ShanghaiResearchInstituteofStomatology,Shanghai200011,China

Osteochondroma of mandibular condyle is a rare disease in clinic. Patients have severe facial asymmetry and malocclusion. Because of the complexity and diversity of the deformities, ideal and individualized surgical planning is the goal that surgeons have been pursuing. At the same time, teaching and training of inexperienced young doctors is difficult. In this study, virtual reality technology was attempted in surgical planning and prediction of condylar osteochondroma. The ideal surgical planning was explored to restore patients' facial symmetry and occlusion. Surgical teaching and training in treatment of condylar osteochondroma was realized with satisfactory results.

condylar osteochondroma; virtual reality; teaching; training; surgical planning;

国家自然科学基金(81101131)；上海交通大学“医工”交叉项目(YG2013MS56)

2014-10-29

于洪波(1976-)，男，山东淄博人，博士，副主任医师，主要研究方向：颅颌面手术虚拟建模及力触觉反馈研究。 王博(1985-)，男，浙江宁波人，硕士，住院医师，主要研究方向：牙槽骨再生正畸技术的临床应用及基础研究。

王旭东(1970-)，男，福建泉州人，教授，主任医师，博士研究生导师，主要研究方向：颅颌面畸形的临床与基础研究。 电话：021-23271699-5144；E-mail:xudong70@hotmail.com 沈国芳(1963-)，男，浙江宁波人，教授，主任医师，博士研究生导师，主要研究方向：牙颌面畸形、缺损的临床与基础研究。电话：021-23271207；E-mail:maxillofacsurg@163.com

G434

A

1004-5287(2015)02-0187-04

：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201502023

注：*同为第一作者

注：△同为通信作者