一種鼻內(nèi)窺鏡虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)

    1 引言

    鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)，屬于微創(chuàng)手術(shù)，由于具有手術(shù)創(chuàng)面小、術(shù)野清晰、基本沒有死角等優(yōu)點(diǎn)，被越來越多地應(yīng)用于臨床。1986年我國天津趙綽然教授率先開展上頜竇內(nèi)窺鏡檢查，至今在我國市級(jí)以上醫(yī)院基本上均已配備了鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)器械。但由于鼻腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、手術(shù)難度高，內(nèi)窺鏡手術(shù)存在手眼協(xié)調(diào)問題，所以學(xué)習(xí)難度非常大。而鼻腔疾病在我國約有幾千萬患者，但能做鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)的醫(yī)生僅有幾百名，所以迫切需要訓(xùn)練一批能熟練掌握該技術(shù)的醫(yī)生，以滿足鼻腔疾病治療、提高人民生活質(zhì)量和身體素質(zhì)的需要。[1]

    自80年代，Delp和Rosen建造了世界上第一個(gè)虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)用于觀察關(guān)節(jié)移植手術(shù)的過程與結(jié)果以來，虛擬手術(shù)仿真技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室逐漸走向?qū)嶋H應(yīng)用，它所涉及的內(nèi)容包括對(duì)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的交互與可視化，以及對(duì)于虛擬人體器官在虛擬手術(shù)器械作用下的各種變化的模擬和對(duì)操作人員的各種感官反饋的模擬。利用虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)可使學(xué)習(xí)者沉浸于虛擬的場(chǎng)景內(nèi)，體驗(yàn)并學(xué)習(xí)如何應(yīng)付各種臨床手術(shù)的實(shí)際情況，可以通過視、觸覺感知甚至聽覺來學(xué)習(xí)各種手術(shù)實(shí)際操作，并通過預(yù)演手術(shù)的整個(gè)過程以便事先發(fā)現(xiàn)手術(shù)中的問題。我們吸取國內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，通過在三維重建、實(shí)時(shí)力反饋、基于有限元的彈性形變和碰撞檢測(cè)等方面的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，針對(duì)四類典型手術(shù)研發(fā)了一種鼻內(nèi)窺鏡虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)。

    2 仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    本仿真系統(tǒng)為具備高分辨率的實(shí)時(shí)視覺真實(shí)感和真實(shí)力反饋實(shí)時(shí)交互這兩大特性，主要把系統(tǒng)分成建模和仿真兩大技術(shù)模塊，其中建模技術(shù)用于建立手術(shù)仿真操作的虛擬鼻腔組織器官模型，其包括幾何模型和物理模型兩部分。幾何模型必須真實(shí)反映人體組織器官的精確解剖結(jié)構(gòu)，生成較高分辨率的視景，從而達(dá)到視覺真實(shí)感。相應(yīng)的，物理模型應(yīng)真實(shí)反映器官組織在外力的作用下產(chǎn)生的物理反應(yīng)，從而達(dá)到力反饋、形變、斷裂等現(xiàn)象模擬的真實(shí)感。幾何模型和物理模型的建模完成后，再基于這兩個(gè)模型進(jìn)行仿真計(jì)算，其關(guān)鍵技術(shù)反映在仿真流程的各個(gè)階段，包括基于幾何模型的碰撞檢測(cè)、基于物理模型的形變、斷裂模擬、基于物理模型的反饋力模擬和基于幾何模型的虛擬場(chǎng)景繪制。

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，首先操作者的控制信息通過人機(jī)交互設(shè)備接口傳輸?shù)焦ぷ髡具M(jìn)行空間定位和碰撞檢測(cè)計(jì)算，在此前提下再進(jìn)行模型形變計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行繪制和渲染，同時(shí)計(jì)算力反饋的大小和類型并把它通過接口和傳感器反饋到操作者的手中。

    主要硬件系統(tǒng)是以Intergragh圖形工作站為核心承擔(dān)三維視景實(shí)時(shí)繪制、碰撞檢測(cè)、模型形變等運(yùn)算工作。而真實(shí)感力反饋的工作由六自由度PhanTom力反饋設(shè)備承擔(dān)，該設(shè)備具有非常高的空間定位精度，能充分滿足微創(chuàng)手術(shù)的需要。同時(shí)它還是以筆竿式交互終端來模擬手術(shù)器械（如內(nèi)窺鏡、手術(shù)刀等），并且力反饋傳感能支持大于300Hz的反饋頻率，這樣可較好的模擬出手術(shù)中的彈力等效果。主要軟件平臺(tái)是在Windows 2000操作系統(tǒng)下基于OpenGL和PhanTom SDK進(jìn)行開發(fā)。

    圖1 仿真系統(tǒng)框圖

    3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

    3．1 幾何模型的三維重建

    三維幾何模型是虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)的主要交互對(duì)象，為滿足其精確度和真實(shí)感，目前主要采用的方法是對(duì)醫(yī)學(xué)圖像先分割再進(jìn)行三維重建，可利用的圖像資源包括CT、核磁和冰凍人體切片等數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)是采用了美國可視人體項(xiàng)目Visible Human Project（VHP）中的數(shù)據(jù)集進(jìn)行了重建。

    人體鼻腔組織具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、但層次簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，僅僅是在鼻黏膜下包含一層骨板，考慮到運(yùn)算的開銷和鼻腔的具體層次，采用了三維模型面繪制的方案。首先在人體的二維圖像數(shù)據(jù)中對(duì)感興趣的組織和結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像分割和邊緣提取，包括中鼻道、上頜竇等解剖結(jié)構(gòu)，采用圖像自動(dòng)分割和交互式分割相結(jié)合進(jìn)行，并以交互式分割為最終確定方式。然后對(duì)每一幅圖像上所提取的輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行Z坐標(biāo)方向上的重建，同時(shí)通過一定的數(shù)學(xué)插值來構(gòu)建中間面片保證重建模型邊緣的光滑和流暢。最后依據(jù)交互的頻度和解剖學(xué)重要性進(jìn)行模型優(yōu)化。

    3．2 碰撞檢測(cè)

    在手術(shù)仿真中采用了層次包圍盒方法來實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)，對(duì)用于碰撞檢測(cè)的包圍盒有以下兩方面的約束：(1)簡(jiǎn)單性。包圍盒應(yīng)該是簡(jiǎn)單的幾何體，至少應(yīng)該比被包圍的幾何對(duì)象簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)單性不僅表現(xiàn)為幾何形狀簡(jiǎn)單易于計(jì)算，而且包括相交測(cè)試算法的快速簡(jiǎn)單。(2)緊密性。包圍盒應(yīng)該盡可能地貼近被包圍的幾何對(duì)象。緊密性可以用包圍盒B與被包圍對(duì)象G間的Hausdorff距離τ來衡量（），τ越小，緊密性越好，緊密性直接關(guān)系到需要進(jìn)行相交測(cè)試的包圍盒的數(shù)目。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮視點(diǎn)與模型之間、虛擬器械（剛體）與鼻腔模型（軟組織）之間的碰撞檢測(cè)，要對(duì)基于三角面片的鼻腔模型進(jìn)行預(yù)處理，建立基于AABB（axis-aligned bounding boxes有沿坐標(biāo)軸的包圍盒）的層次包圍盒，從而進(jìn)行碰撞檢測(cè)運(yùn)算。在鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)中，腔壁產(chǎn)生的形變都很小，因此，手術(shù)器械與虛擬組織器官的碰撞檢測(cè)仍被看作是剛體間的碰撞檢測(cè)。但是器械與組織器官的碰撞點(diǎn)可能有多個(gè)，而且其對(duì)碰撞點(diǎn)的計(jì)算要求較為精確，計(jì)算頻率也很高，通常與力覺繪制的頻率相同，約1ms一次計(jì)算。其計(jì)算流程如圖2所示，碰撞檢測(cè)得到的信息用于后期的形變計(jì)算和力反饋的計(jì)算。

    圖2 虛擬手術(shù)器械與鼻腔模型的碰撞檢測(cè)流程

    3． 3 鼻腔組織彈性形變

    在鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)中，由于手術(shù)器械的操作會(huì)引起鼻腔軟組織的彈性形變，我們采用基于生物機(jī)械力學(xué)的FEM有限元算法來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)彈性形變。在手術(shù)過程中，手術(shù)器械（如內(nèi)窺鏡、手術(shù)刀、剝離子等）與人體組織器官的接觸實(shí)際上只發(fā)生在很少的幾個(gè)表面結(jié)點(diǎn)處，這些節(jié)點(diǎn)是通過前期的碰撞檢測(cè)計(jì)算所得的。這樣外力的分量多數(shù)為零，所以其運(yùn)算量不大。計(jì)算形變采用的是逆矩陣法，其基本方程為：

    其中，[K]是3n×3n的剛度矩陣（n是有限元網(wǎng)格頂點(diǎn)的數(shù)量）；{D}是未知的位移場(chǎng)，即形變距離；{F}是外力。假定所需逆陣都存在，則對(duì)n階方陣K，r階方陣S和n行r列輔助矩陣U，V采用Woodbury公式求解變化后的逆矩陣為：

    3．4彈性力反饋

    在仿真手術(shù)操作的過程中，操作者需要實(shí)時(shí)感知虛擬手術(shù)器械擠壓軟組織模型的面彈力等反饋信息。實(shí)際上的力反饋是作用于體內(nèi)的，可感知模型對(duì)于作用力的反抗作用。由于力反饋要求的帶寬非常高，要求的計(jì)算量非常大，因此我們采用的是基于PhanTom力反饋器械的質(zhì)點(diǎn)——彈簧——阻尼器（mass-spring-damper）力反饋模型。

    在軟組織的表面附著有彈簧與阻尼器，器械模型某頂點(diǎn)一旦與該表面發(fā)生碰撞，就會(huì)產(chǎn)生彈性形變。我們考慮與面法向同向的面彈力。通過得到器械模型某頂點(diǎn)原位置與新位置構(gòu)成的矢量，可以獲得軟組織表面的相交接觸點(diǎn)SCP，同時(shí)也可以得到彈簧拉伸的長度x，根據(jù)該模型，面彈力計(jì)算的數(shù)學(xué)描述為：

    其中，M是該面的質(zhì)量，D是阻尼系數(shù)，K是彈簧的彈性系數(shù)。X 是某時(shí)刻彈簧縮放的位移，F(xiàn)(t)是某時(shí)刻的總反饋力。在前期的碰撞檢測(cè)計(jì)算中，可以得到多個(gè)面的碰撞點(diǎn)SCP，因此相應(yīng)的面彈力（力矩）的疊加總和即為虛擬器械得到的反饋力（力矩）。

    4 手術(shù)操作仿真

    4．1視覺模式

    由于鼻腔由多個(gè)腔體和鼻道組成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以系統(tǒng)提供了五種對(duì)場(chǎng)景的觀察方式：PhanTom終端控制模式、鼠標(biāo)瀏覽模式、直內(nèi)窺鏡觀察模式、30度內(nèi)窺鏡觀察模式、70度內(nèi)窺鏡觀察模式。這樣可以較好的訓(xùn)練學(xué)習(xí)者在不同角度鏡下操作內(nèi)窺鏡。采用了線框式導(dǎo)航圖以及對(duì)于瀏覽到特定的解剖結(jié)構(gòu)，在信息框中提供解剖組織名稱的提示來保證在復(fù)雜的鼻腔中瀏覽時(shí)不會(huì)“迷路”。

    4．2器械操作、手術(shù)仿真實(shí)例

    仿真系統(tǒng)中，PhanTom終端可以模擬鼻內(nèi)窺鏡、鐮狀刀、吸引器、剝離子、鑷子、穿刺針這六種手術(shù)器械以供操作。首先進(jìn)行鼻內(nèi)窺鏡仿真瀏覽，確定病灶，使用虛擬的鐮狀刀、鑷子等器械進(jìn)行仿真手術(shù)操作。在手術(shù)器械碰撞鼻腔組織的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生較真實(shí)的力反饋，其中對(duì)鐮狀刀的切割、吸引器的震動(dòng)、剝離子按壓、鑷子的夾取和穿刺針進(jìn)行穿刺的各種力反饋效果均進(jìn)行了有效的模擬。對(duì)于不同的組織，其物理模型和力反饋模型是不同的，例如對(duì)鼻黏膜設(shè)置的是彈性軟組織的力學(xué)描述，而外側(cè)骨板是剛體描述。同時(shí)還利用粒子系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)紋理來仿真出血和液體高光效果。

    系統(tǒng)針對(duì)臨床典型應(yīng)用仿真了四種手術(shù)操作：上頜竇造口術(shù)、鼻息肉摘除術(shù)、上頜竇穿刺術(shù)和下鼻甲切除術(shù)，如圖3、4所示。在這四種手術(shù)中對(duì)器械操作后的形變、反饋力、切割后的流血以及模型的拓?fù)涓淖兊确矫娴哪�擬效果均達(dá)到了鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)仿真訓(xùn)練的實(shí)際要求。

    上頜竇造口術(shù)（切割后的流血） 鼻息肉摘除術(shù)（吸引摘除息肉）

    圖3 上頜竇造口術(shù)和鼻息肉摘除術(shù)

    上頜竇穿刺術(shù)（穿刺針刺入鼻腔） 下鼻甲切除術(shù)（切除肥大的鼻甲）

    圖4上頜竇穿刺術(shù)和下鼻甲切除術(shù)

    5 小結(jié)

    本系統(tǒng)構(gòu)造了一個(gè)較為逼真的三維虛擬手術(shù)環(huán)境，其中進(jìn)行交互的鼻腔模型表面具有4000個(gè)結(jié)點(diǎn)，在配置為PIII-700的CPU、256兆內(nèi)存、32兆顯存GeForce2圖形卡的普通微機(jī)系統(tǒng)上測(cè)試，力反饋頻率可達(dá)1000Hz，同時(shí)圖形繪制頻率可達(dá)30Hz，能很好地滿足交互的實(shí)時(shí)性。通過應(yīng)用來看，反映良好。可使學(xué)習(xí)者能更快、更有效、無風(fēng)險(xiǎn)地掌握復(fù)雜的手術(shù)操作技巧和流程，因而具有較高的實(shí)用價(jià)值。當(dāng)然，鼻內(nèi)窺鏡手術(shù)仿真本身是非常復(fù)雜的，所以應(yīng)在研究中通過不斷發(fā)現(xiàn)問題來不斷進(jìn)行完善，使其相關(guān)理論和方法能夠更加實(shí)用并拓展到其他手術(shù)仿真領(lǐng)域。

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作者

    譚珂1) 郭光友1) 潘新華1) 王勇軍2) 熊岳山2)

    1）解放軍總醫(yī)院教育技術(shù)中心，北京 100853； 2）國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，長沙 410073