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虚拟膝关节内窥镜手术仿真训练系统

陈为坚  
【摘要】:关节内窥镜手术是一种微创外科技术,主要是应用微型摄像头的光学传导系统在人体的关节腔内游走,实现对关节疾病的诊断和治疗。由于关节镜手术创口小,病人术后康复迅速,在国内外广泛用于骨关节疾病的临床诊断和治疗。但这种手术方式的技术难度很大,初学者难以在短时间内学会。临床实际经验不足的医生,往往难以辨认操作方向;在不熟练掌握操作技术的情况下,也容易损伤关节腔内部的重要结构,从而延长了手术时间,加重了病人的痛苦,增加手术的费用,浪费医疗资源。因此,研发关节内镜的手术培训系统,具有极其重要的意义。传统的内窥镜训练课程仅限于模型操作和动物实验,其中单纯模型训练过于简单且很容易损坏模型和器械,而以动物实验训练为主的模式又因各种条件的限制难以广泛应用。 近几年来,虚拟现实技术在内窥镜检查培训方面得到了应用。采用虚拟现实技术实现内窥镜手术仿真的方法可以模拟临床上各种关节内窥镜的手术操作,使得初学者能在短时间内得到大量的训练,掌握关键的操作技术。虽然目前已有少数成形的仿真关节内窥镜用于关节外科医师的培训,然而这些设备都存在昂贵,实用性差的缺点,并且几乎所有仿真内镜设备都依靠进口。目前国内的培训系统还停留在模拟手术的认识和探讨阶段,往往只是提供仿真界面来模拟显示真实关节内窥镜手术中可能遇到的情景,虽然现有的这些系统能较好地培训初学者的认知能力和理论知识,但根本无法训练初学者的手眼协调能力。因此研发的具有自主知识产权的,能训练眼手操作的仿真设备,并且大规模地应用于培训,将有助于解决这些问题。而从长远的角度来看,可以进一步促进关节内镜手术的普及和发展。 本文介绍一种应用虚拟现实技术实现关节内窥镜手术训练的仿真系统。由于膝部的关节镜手术最为常见,本课题主要以膝关节为主,讨论了通过计算机三维可视技术,建立软件系统来支持膝关节腔的三维模型,配合自主研发的球杆式外部输入设备和硬件,最终实现了通过计算机三维可视技术来仿真关节内窥镜手术过程;本系统采用类似真实关节内窥镜的操作杆和剪刀,让受训者体验临床手术时的真实手感和方向感;又与此同时,本课题又设计不同的关节疾病模型仿真场景,让受训者体验训练的过程;同时制订科学的训练计划,使学员能在这一具有虚拟场景和操作杆相结合的训练环境中得到充分的训练。实验结果充分验证了本虚拟系统在关节镜培训方面的效果。现将本课题的方法和结果介绍如下: 一、人体膝关节腔及相关场景的三维静态及动态模型建立 在本章中我们对应用3Ds max2010建立的关节腔模型进行剖析,详细描述其相关场景的建模方式与流程。该应用软件为我们提供的许多高效的工具。使我们可以直接用建模的方法来建立关节腔的正常模型,设计动态模型,建立相关的疾病模型。在疾病模型中,我们主要涉及两种典型的疾病:游离体和半月板损伤,通过对这两种疾病的建立,我们可以依此推知其它关节腔病变的建模,为日后开发大量疾病模型打下坚实的基础。 方法:选择了国产与正常人体大小相当的关节模型,以及中国人正常人体的关节腔示意图。通过应用3D max建立关节腔的正常模型和疾病模型,应用关键帧技术设计相关的动态模型,形成上位软件系统的场景;在制作关节股骨和胫骨的过程中,我们首先勾画出一个大致的外形,经过修改后形成准确的轮廓,接着不断添加细节,修改成更复杂的形状,最后经过平滑和赋予材质,形成相应的骨关节面;在制作韧带、半月板和剪刀等结构时我们应用另一种建模的方法:首先创建一个原始的类似几何体,再将这个几何体塌陷成可编辑网格或是可编辑多边形,然后不断修改,不断细分最后得到我们想要的模型效果;在完成了关节的建模后,我们结合关键帧技术建立动态模型来体现剪刀开合和第2场景中的疾病模型;在半月板损伤的模型中,我们采用布尔运算来制作缺口,形成第3场景。 结果:应用3D max建模技术制作了关节腔的模型,两科疾病模型和剪刀开合,主要内容包括:(1)剪刀的开合动态模型制作技术;(2)游离体的动态破碎模型;(3)半月板损伤的成形术。 结论:实验结果证明,3D max建立各种场景的优势非常明显,它操作简单,非常适合业务人员的学习和应用,更为关键的是比较容易理解,可以在建模的过程中留给应用者更多的想象空间和修改余地。其中的多边形建模的效率相当高,可以在短时间内建立大量的模型,而进行一些细节的修改之后,很容易做出相关的疾病模型。在未来的建模中,我们将进一步细致划分更多的细节,使用更多的材质来体现模型的真实感。 二、虚拟关节软件系统的研发和实现 本章描述了三维模型装配软件的系统运行环境、软件的总体结构、工作流程和软件的功能描述。 方法:软件开发所采用的语言是标准C++语言,渲染模块采用目前流行的开源渲染引擎OGRE。软件整体构架分为三个状态机和一个状态机管理类,每一个状态机负责一个场景的管理,包括场景资源的加载、更新和销毁。状态机管理负责管理每个状态机,包括每帧驱动当前活动的状态机,添加或者删除一个状态机。输入系统采用的是OIS(DirectInput的封装),输入系统的功能是每帧捕获用户的输入,这样就可以将用户的请求反馈给系统。加载资源系统是采用的Dotscene,在资源加载的时候用此系统来解析scene文件,然后加载场景中所有的mesh,light,camera animate等等,将加载结果返回给当前状态机。 结果:设计出三个场景的软件界面:(1)剪刀的开合动画模型软件界面;(2)剪刀钳夹后游离体的动态破碎的界面;(3)模拟半月板成形术用剪刀对已破碎的半月板边缘进行修整。与此同时形成和硬件的接口。 结论:软件各个功能实现了模块化,同时加入了状态机控制,为硬件提供了便利的功能接口,软件调试过程高度流畅,充分证明了此设计方法简单可行。 三、内窥镜训练系统外设以及相关硬件系统的制作 本章内容包括内窥镜训练操作杆的制作、训练操作杆控制器的硬件构成、底层软件的总体流程、控制器与上位机的通讯协议。 方法:首先分析整套系统需要处理哪些信号,将训练系统需要采集的信号进行分类如下:模拟信号有剪刀的开合程度(转换为电压值);数字信号有按键信息(开关信号),光电传感器的脉冲值(脉冲信号)。采用USB接口同上位机进行通信,所有决定采用STM32F103C8芯片作为主控制器。将整个控制器硬件分为电源部分,脉冲电位器、光电传感器信号处理部分、按键处理、AD转换和USB接口等几个部分,编写相应的驱动程序,并在设计时充分考虑硬件和软件的抗干扰能力,提高系统的可靠性和稳定性。为增强控制器和上位机数据传输的可靠性,在控制板和PC机通信时有个通信协议,每次上传时都将数据进行打包处理,上位机接收数据时也按照通信协议进行拆包处理数据。 结果:(1)设计并装配好内窥镜训练系统的整套硬件和外部设备。在实际操作中约定左手操作模拟摄像机,右手操作模拟剪刀。外部设备接收到的手的方位和动作通过感应器传输给硬件系统,并顺利地输出。(2)控制器同上位机通过USB接口交换数据。这样,操作训练操作杆,可以看到在上位机有相应的动作,实现了膝关节内窥镜手术的模拟。 结论:球杆式的训练手柄有助于双手操作信号的感应,硬件系统对信号的传递和识别灵敏,抗干扰能力强。整个运转过程流畅,说明机械设备和硬件的配置协调一致。 四、膝关节内窥镜手术仿真训练系统的初步实践研究 在本章中,我们应用虚拟系统中的单手浏览模式,双手操作下游离体摘除、半月板切除模式,对实习医师进行培训。通过对培训后的医师与专业的关节外科医师对比,来评估虚拟关节内镜系统训练效果,由此明确虚拟训练系统在培训关节镜技术中的实用性。 方法:受试者为来3所不同大学的实习医生和不同医院的医师,实验时间从2009年3月1日至2010年3月30日。在实验1中,我们通过真实临床操作对培训后的医生、未培训的医生和专家作对比;在实验2中,我们通过把上述三组成员在系统操作中的成绩作对比。记录各组的成绩,而后专家组和实习组的感受用有关训练系统的28个问题来评估。问卷的第一部分包含关于模拟系统的初步印象、设计和用户界面等问题。通过从1(非常差)至10(非常有用)的等级量表上作标记来评价虚拟系统。第二部分包含关于模拟系统的培训能力和效果问题。问卷的第三部分提问用户对该系统的培训意愿;第四部分主要是有关系统价格的问题。记录结果并应用SPSS 13.0进行数据分析。 结果:在综合印象中,大多数数值趋向于好(7分以上)。系统总体培训能力和内镜操作任务的培训能力在总体上评定为好,评分均值大约为8,其中81.6%认为系统对于培训住院医师的内镜技术总体上有用,72%同意模拟系统对于培训手眼协作能力有用。在所有受试者中,75%认为其对于医院内的培训有用,也有62.5%认为模拟系统可以在家中进行自我培训。约一半的医师(50%)指出模拟系统可用于检测内镜操作技术。在现实临床手术操作测试中,专家取得的成绩较未经培训的医师好,差异有显著统计学意义。而培训过的医师的成绩明显优于未培训的医师,差异有显著统计学意义。在虚拟系统操作的测试中,专家取得的成绩与未经培训的医师差异无显著统计学意义;而培训过的医师的成绩明显优于未培训的医师,差异有显著统计学意义。 结论:本仿真训练系统将类似真实内窥镜器械和计算机的硬软件相结合,为初学者提供一个具有视觉、触觉的较真实的内窥镜手术训练环境。有助于初学者熟悉关节腔的内部结构,掌握关节镜的操作技能,提高手术水平,在关节镜的临床培训方面值得推广应用。在未来的开发研究中,我们可以在此基础上建立更多的疾病模型,来模拟各种各样的关节镜手术。同时也可将培训系统进一步跨专业发展,应用到腹腔、胸腔、宫腔等腔镜手术的培训中。 主要创新点 1.自主创新了关节内窥镜的仿真系统,应用球杆式的外部设备,更好的响应操作者的动作,能够真实的模拟关节镜的手术操作过程。同时为将来的力反馈模型开发提供了思路。 2.运用3D max建模技术来建立人体膝关节腔的模型、疾病模型及相关场景的三维静态及动态模型。有助于真实的显示解剖结构,逼真的模拟病变结构,为将来系统的不断开发奠定基础。 3.在国内首次将自行研制的虚拟手术设备用于临床实践,取得满意的实验结果,验证了仿真训练系统的实用性。


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