Freeform系统在虚拟手术中的应用

[摘 要]随着虚拟现实技术和现代医学的飞速发展，虚拟手术技术已经成为现代医学中不可缺少的应用技术。Freeform系统应用力反馈技术，是独一无二的3D触觉系统。本文着眼于虚拟手术应用环境及条件，与Freeform系统的3D力反馈系统，2D与3D的模型转化以及输入设备系统等方面对虚拟手术应用的优势来说明Freeform系统在虚拟手术中的重要应用价值。

[关键词]虚拟手术；虚拟现实技术；力反馈技术；Freeform系统

在当前国际生物医学工程领域的研究中虚拟手术是前沿课题，在传统的手术中，医生是在自己的大脑中进行术前的手术模拟，以确定手术方案，然后根据其在大脑中形成的三维印象进行手术。但这种手术方案质量的高低，往往依赖于医生个体的外科临床经验与技能。如今在临床上，为了避免直接使用人为制定的手术策略进行手术所带来的巨大风险，运用虚拟现实技术的虚拟手术油然而生。虚拟手术就是利用各种医学影像数据和虚拟现实技术在计算机中建立一个模拟环境，用计算机代替医生思维可以比较客观、定量的进行手术方案的三维构思，同时医生可以借助虚拟环境中的信息进行手术计划、手术训练、设计手术过程，进刀的部位、角度，来提高手术的成功率。

一、虚拟现实技术

虚拟现实技术，就是利用计算机技术产生一个高度逼真，具有视觉、听觉、触觉等感觉的虚拟环境，使置身该环境中的人通过使用各种专用的传感交互设备对虚拟环境中的实体进行相互作用，达到交互考察与控制、融为一体的程度。

虚拟现实系统的功能由两部分组成：一是创建虚拟世界，二是人与虚拟世界之间的人机交互操作。人类要与虚拟世界进行双向交互，必须借助一定的人机交互设备。称之为感知设备。所谓感知设备，是指将虚拟世界各类感知模型转变为人能接受的多通道刺激信号的设备。包括视、听、触（力）、嗅、味觉等多种通道。然而，成熟和相对成熟的感知信息的产生和检测技术，仅有视觉、听觉、力觉三种通道。

二、虚拟手术

虚拟现实技术和现代医学的飞速发展以及两者之间的融合使得虚拟现实技术对生物力学领域产生重大影响。上世纪自80年代末90年代初，由于外科手术新技术的发展推动了手术仿真系统，虚拟手术系统作为外科医生的训练器和手术计划工具，在做科学分析时它可以用来验证一个物理假设的实际可行性；在做手术计划时可以演练实际的操作过程；与先进的医疗器械相结合，可进一步应用于实际的手术过程。

而在虚拟手术中，力触觉交互显得格外重要，在虚拟手术训练中，力触觉反馈可以使医生训练时不仅能够看到而且还能感觉到手术器官，医生能够进入虚拟世界，通过手和手臂的运动，与虚拟模型和环境进行交互，形成对虚拟模型的一个完整的认识，感受到与虚拟对象交互产生的触觉和力，就如同操作真实物体一样，无疑可使训练更真实、准确、可靠。

三、Freeform系统

（一）Freeform系统概况

Freeform 系统是以1990年美国麻省理工学院(MIT)开发的研究项目，全称触觉式虚拟设计系统，由美国SensAble Technologies 公司制造。该系统包含了硬件和软件两部分，基于PC平台，其主要构成有PHANTOM、GHOST和Clay三个部分。PHANTOM是一个硬件接口(如图1 所示)，其连接的连杆物件称为操纵杆(Stylus)，具有6个方向的自由度，为使用者的核心硬件。GOHST是为Freeform系统专门开发的核心软件系统，负责处理复杂的交互运算，即时提供触觉信号，同时把现实的操作信号处理后反映在显示屏幕上。Clay是Freeform系统处理的对象，称为“虚拟黏土”，也是软件系统，操作者在屏幕上看到的操作效果都是由虚拟黏土表现出来的。

（二）Freeform系统的虚拟现实原理

如图2所示，Freeform系统操作者的大脑向操作者的手发出各种动作命令，手便根据来自大脑的命令做出不同的手势动作或各种操作。手的动作启动位于操纵杆(Stylus)中的传感器，传感器将手的动作传递给计算机，计算机根据一定的算法来指挥虚拟雕刻刀来运动，这样就可以在屏幕上看到虚拟手术或者雕刻刀的运动。

同时，计算机对雕刻刀与虚拟物体进行碰撞检测，而后将位置、力量信号反馈给操作杆。操作杆根据这些信息启动触觉执行机构，通过对操作者的手进行各种按摩运动、阻碍运动的方式使操作者体会到各种触觉感知。此外，操作者也可以通过视觉、听觉反馈方式对操作的雕刻刀的运动得以附加反馈。

（三）Freeform系统的建模优势

目前，图形的绘制多数集中于如何利用患者的医学影像(CT／MRI图像)进行人体组织器官的建模。一般情况是将DICOM格式的CT数据导入Mimics软件，进行几何模型重建，形成三维图，但由于Mimics软件对于区分硬组织非常困难，而且边界不好界定，常常出现毛刺现象，对于生成体模型和划分高质量的网格有很大影响。同时虚拟手术力反馈系统尚没有准确的反馈力的数据来源，医生手术多是凭手感或者经验，缺乏定量的力学数据。而Freeform就可以凭借自身软件的优势攻克这一难题，Freeform软件中，可以依据模型曲率变化进行合理的划分，依照其特点提取特征线和轮廓线．并可以通过工具进行曲面光滑处理。同时根据真实实物模型组织的肌理以及软硬程度将采集的数据在建模过程中固化到模型中来调整虚拟模型的软硬程度，实现物理建模，已达到真实的触感方便操作。

四、Freeform系统在虚拟手术中的应用

Freeform系统在虚拟手术中可以最大程度上地发挥其系统优势，辅助医生提高虚拟手术的各项操作。

在文献中，复旦大学附属眼耳鼻喉科医院中心实验室进行的虚拟颞骨乳突切除手术，用Freeform系统在对颞骨及其内部各重要结构进行三维建模之后，启动系统，将颞骨的结构进行编辑，设置好有关参数如颞骨的硬度、虚拟磨钻的大小等。操作者通过手持力Freeform操作杆（即虚拟磨钻或刮匙）进行虚拟乳突切除手术等操作，操作中根据力反馈感觉随时调整手持磨钻的用力大小和方向，并可对操作对象任意角度观察手术效果。