基于虚拟现实技术的宫腔镜操作培训器设计与应用

【前言】基于虚拟现实技术的宫腔镜操作培训器设计与应用由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。虚拟医学手术仿真训练在与医学相关的虚拟技术中是难度较大的一种。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。在国内，大部分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...

摘 要 目的 设计用于宫腔镜操作和教学的模拟培训装置，提高培训效果和质量。方法 利用计算机三维仿真技术建模结合器械实物模型设计出虚拟培训装置。结果 在2008年至2010年3年中，将每年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，未使用虚拟培训系统。所得结果经过统计学分析，实验组操作考核成绩显著优于对照组，p

关键词 虚拟现实技术 仿真技术 临床教学

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到该环境中，实现用户与该环境自然交互的技术[1，2]。虚拟现实技术具有多感性、存在性、交互性、自主性特点[3～5]。目前与医学相关的虚拟现实应用主要包括仿真手术、虚拟内窥镜检查和模拟放射外科等。

1 虚拟现实技术在医学教学中的应用概述

虚拟医学手术仿真训练在与医学相关的虚拟技术中是难度较大的一种。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。在国内，大部分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较大的成果。华中科技大学从2000年开始构建“虚拟人”，在人体器官虚拟建模方面取得很大进步。实现医学模型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。虚拟现实手术仿真训练是一种技术难度较大的应用。与其它虚拟现实技术应用相比，它要求虚拟产生多层次、多种形态、相联关系复杂的三维虚拟人体组织；人机交互性强，要求定位和反馈精确度高。如何利用虚拟技术设计出一种宫腔镜模拟培训装置来解决临床教学和培训的问题，成为亟待解决的难题。

笔者通过将原有的医学图片、物体，由二维图像转化为具有真实立体感的三维空间的模型，有效地解决医学模型不能旋转和缩放的瓶颈问题。再通过利用虚拟现实技术提供的三维模型，受训者使用软件时可以观察医学模型的立体全貌，就像在现实生活中观察事物一样，可以任意从各个方向和位置了解物体的特征和属性。当移动物体时，物体也能依据一定的自然规律作相应的动作和位置变化，真正地具备事物本生的生理属性，让受训者得到一种身临其境的真实感。

2 虚拟宫腔镜培训模拟器的设计

采用电子腔镜手术的器械实物模型，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虚拟人体宫腔的立体模型，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。为使模拟器下的操作更加接近临床实际手术，还可配套各种材料制作的手术训练模型，如子宫模型、子宫囊肿切除模型、宫腔模型等。这些模型都部分模拟手术实际情况，操作者可以在这些模型上完成相应手术，通过在这些模型上的训练，受训者可以很快适应和掌握这些手术。

2.1 模型的设计与制作

制作长、宽、高分别为35cm×35cm×30cm的训练箱（模拟人体腹腔，如图1）。按照临床手术方式在模拟人体腹腔上预留Trocar（穿刺锥）及摄影器械部位。模拟人体腹腔的上部为不透光的亚克力玻璃材质，其目的在于使操作者无法直接观察到操作，于模拟腹腔中放置普通光源作为腹腔镜之冷光源系统，该光源可调节并可照射不同的手术野。以普通摄像头代替腹腔镜CCD摄像头，固定于训练箱上，并与计算机之视频采集卡相连。通过视频采集软件以影像的形式出现在电视的屏幕上。练习者自预留之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2、图3）。

2.2 三维仿真建模

2.2.1 建立宫腔的三维模型 通过Virtools5.0软件，对人体的宫腔模型进行重建，采集相关的CT、MRI数据，进行重建，然后将模型三维化，并植入开发的操作平台系统软件中。

2.2.2 设计手术器械的操作环境和相关模型 结合手术的要求和特点，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模型器械，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。当培训者在操作器械做宫腔镜模拟手术时，可以实时看到虚拟手术宫腔模型的变化和手术效果。

2.3 基本手术操作模型及常见手术模型的设计

宫腔镜外科手术之不同于传统外科手术在于其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。不能直观地看，不能用手直接感知。这就要求术者要适应屏幕及熟练地通过腹腔镜手术器械来完成传统手术中用手来完成的操作。我们通过设计一定的操作模型来规范操作并可对操作进行评估（表1）。如桔子拨皮操作、充水指套手术模型等。传统的宫腔镜手术模拟训练通常是一些简单的缝合、结扎、切开操作，该操作方法枯燥，久而久之让训练者失去练习兴趣[6]。而手术训练模型则将各种常用手术操作融合于一个手术过程之中，增加操作的趣味性及可评估性。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，意味着手术不很成功。

2.4 宫腔镜操作训练

宫腔镜器械多为直线型的，而打结等操作需要不断弯曲操作，且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，因此，完成打结这个操作很费时，也不方便，有时为打一个结，可以耗时达5分钟，甚至更长。培训中实验组先在输液管上训练各种打结方法，单结、方结、外科结等，更直观地反映其存在的问题，缩短培训时间。

3 临床应用结果

3.1 培训形式和方法

宫腔镜训练模拟器以一个箱体来模拟人体的宫腔，然后在箱体内可以设置一定的手术模型，例如：桔子拨皮模型、小型实验动物模型、软管绕线打结模型、离体猪肠缝合模型来分别完成不同的手术操作项目，还采用虚拟现实技术对手术模型进行三维建模，连接六自由度的力反馈设备，来实现手术的操作训练，使操作者获得真实的训练感受。

为更好地达到宫腔镜训练模型的培训效果，且更有针对性培训学生薄弱环节，特制作操作考核指标。通过每项操作得分，可更直观地反映其存在的问题。

培训授课采用桌面电脑工作站操作，在平时的教师授课时，多采用桌面电脑工作站操作，桌面虚拟现实沉浸体验来进行互动教学；对于手术预演、远程手术教学时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，增加专家互动的机会和途径。

由于采用网络云技术，大量的信息数据存储和计算，存储于医学院自建私有的云里，可以实现高速地存储和分析，对于三维数据的计算和现实，缩短了系统的响应时间，同时满足大量受训人员使用软件系统的需求，并且解决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地点和不同实验场地，并行使用软件的数据库和其他操作。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2008～2010年3年参加培训的医师，每年学员随机分为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，未使用虚拟培训系统。2组操作考核成绩有显著差异。见表2。

4 讨论和结论

虚拟手术操作可以使医务工作者沉浸于虚拟的场景内，通过视、听、触觉感知等多种感官了解和学习各种手术实际操作[6]。由于宫腔镜训练模拟器具有低代价、零风险、多重复性、自动指导的优点，迅速高效地提高学习者手术及其他操作的技能。

通过对宫腔镜手术设备投入成本也应该加以控制，让其物尽其用[7]。设计这种简易训练模型成本低廉、取材容易、制作简便、模拟逼真。能较好地训练医学生掌握宫腔镜手术的基本技能。虚拟现实技术在医学训练方面的应用展现出良好的前景。

宫腔镜手术模拟训练器的设计与应用加入对学生做综合的评价，提高其评价功能教学的深层次发展和全面评估[2，5]，为受训医生进行评分评价考核，为医学院和教学医院的培训医学专家提供教学指南和考核培训者和受训者双方质量管理于一体的一系列综合评估管理系统。打造无痛医院开创微创手术，为医院的手术教学工作提供新的途径和手段。

参考文献

[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 2000，132： 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] 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：科学出版社，2005：128-133.

[6] Thomas S， et al. Computer application to assist radiology ， Proceedings SCAR’96， Symposia Foundation，Carlsbad， CA， 1996， 61-62.

[7] 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.