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虚拟医疗之虚拟现实技术在鼻外科的应用
2010年4月3日    评论:    分享:

     作者:王昭迪,时光刚 

    单位:山东大学附属省立医院耳鼻咽喉-头颈外科

 

    前言

 

    近年来随着功能性鼻内镜手术及微创外科相关技术的提高,鼻外科手术得到了迅速发展且应用范围不断拓宽,已延伸到鼻眼相关及鼻颅相关等领域,但这也使得手术难度和风险随之加大,主要表现在:鼻腔及其邻近区域结构复杂,特别是颅底血管神经丰富,手术定位和操作比较困难;腔镜具有多种角度的视角变换,术者操作时很难适应;操作过程中的手感和触觉难以在前期训练中体现。

 

    为解决这些问题,国内外学者提出了诸多方案,其中研究最多的就是应用虚拟现实技术对手术进行仿真。虚拟手术仿真训练系统是一个专门用来模拟在手术过程可能遇到的各种现象的虚拟现实应用系统,它所涉及的内容包括对医学数据的交互与可视化,以及对于虚拟人体器官在虚拟手术器械作用下的各种变化的模拟和对操作人员的各种感官反馈(如视觉反馈和力反馈等)的模拟[1]。虚拟三维模型还可以帮助医生做好术前准备,通过虚拟内镜和虚拟手术,在真正手术前可以模拟整个手术过程[2],并可以选择最安全有效的入路以避免实际手术中的风险,同时,这些模型可以传送到远程的影像和手术室中进行术前会诊[3]。这些功能大大节约了培训医务人员的费用和时间,提高了手术的成功率,对改进医学教育与训练的模式,提高效率和质量,促进医学水平的提高有着非常重大的意义。

 

    国内外研究现状

 

    虚拟现实技术在医学上的应用起于1989年美国国立医学图书馆正式启动的“可视人计划”(visiblehumanproject,VHP),此后虚拟现实技术在鼻外科的应用得到越来越多的关注;1997年美国LockheeMartin公司开发了拥有视觉和触觉反馈装置的内窥镜鼻窦手术模拟器,其解剖模型基于由VisibleHuman数据集完成的3D重构,医生可以练习各种复杂的鼻窦手术,可以听到注射药物以后患者的心率,可以模拟手术切割组织时的触觉反馈以及肌肉的阻力。医生在模拟器的假人Martin的鼻部插入内窥镜以及手术过程的计算机屏幕显示。

 

    1998年德国美因兹大学医院研制的鼻内镜模拟器(nasalendoscopysimulator,NES)融合了电脑成像和虚拟内镜技术,是可用于鼻内镜和经鼻鼻窦手术的交互式训练系统。它包括图形工作站、测量内镜和手术器械位置的跟踪系统、头部模型、鼻腔鼻窦的图形数据集和相关软件,并且拥有力反馈装置。

 

    1998年美国俄亥俄州立大学的Radman等研制成功了功能性鼻内镜鼻窦手术模拟器。该模拟器实现了在手术器械的不同压力、拉力作用下鼻腔软组织器官表现出较逼真的不同程度反馈力,有助于年轻医师理解鼻腔、鼻窦的三维解剖结构,能够以交互的、无损伤的方式进行功能性鼻内镜手术训练,但在多自由度的触觉反馈处理上还有欠缺。2000年日本国家产业技术综合研究所开发了世界上第一个可用于内镜鼻窦手术培训的鼻旁窦精确模型SurgReady。这一模型基于人体的CT图像,利用RT材料和树脂复膜重建鼻腔结构,使手术者可以利用包括手术钳在内的实际手术器械进行技巧训练,手术者能够感受逼真的人体反应。

 

    2001年我国解放军总医院开发了虚拟鼻腔镜手术仿真训练系统,这是我国第一个基于力反馈设备的虚拟手术仿真系统。训练系统以图形工作站为核心承担三维视景实时绘制、碰撞检测、模型形变等运算工作,而真实感力反馈的工作由PHANTOM力反馈设备承担,通过信号放大,其精度可达0.03mm,能充分满足微创手术仿真的需要。同时它还以笔杆式交互结构来模拟手术器械,触觉等力反馈精度可达0.25牛顿,通过大于30Hz的反馈频率能较好地模拟出手术中的阻力、摩擦力等效果。

 

    2003年瑞士的伯尔尼大学研制的经鼻手术模拟器可以帮助没有进行过经鼻手术培训的医生利用真实患者的数据学习和练习经鼻手术。但是模拟器缺乏力反馈装置、操纵杆的精细运动欠佳且实时性差。

 

    关键技术分析

 

    3.1 数据采集数据采集

 

    数据采集数据采集是创建手术仿真训练统的第一步,一般分为CT、MRI、断层光学照片3种形式。

 

    1994年Colorado大学的健康科学中心获得了一组由男性志愿者提供的包括CT、MRI和断层光学照片的数据集,切片间距1.0mm,共有1878个横断面[9]。在此基础上,建立了数字化的三维解剖结构图谱,这是人类在信息技术基础上建立数字化解剖学的首例尝试。自此之后,韩国和中国相继拥有了自己的可视韩国人[10]、可视中国人[11]。由于眼、耳、鼻、喉等器官较小,结构精细,在后期分割的时候需要高分辨率的图像,且该部位的血管较细、行径曲折,对灌注液的浓度、压力及颜色也有特殊要求,首都医科大学附属北京同仁医院耳鼻咽喉头颈外科与第一军医大学解剖教研室合作,对标本的预处理、铣削精度及图像采集进行了改进,获取了1389张头部标本的组织学切片、灌注前后头颈部断层CT644张和MRI93张,以满足鼻腔、鼻窦及内耳等局部精细器官三维重建的需要。

 

    3.2 三维重建

 

    三维重建是指通过处理二维断层图像生成和提取人体三维组织结构的过程,基于CT和MRI重建出的三维模型在几何分辨率、拓扑闭合性、光滑性和真实感等方面不能得到较好的保证,这样建立的模型往往只能应用于三维显示和浏览,不能应用于虚拟手术中的真实感体现、模型切割、形变等实时交互中。当前应用于虚拟手术的三维模型大部分基于人体切片数据集重建而成。

 

    三维重建一般包括以下四个过程:

 

    图像配准图像配准的问题包括一系列层面的平移和旋转,个体组织的重叠或碎片,固定和脱水时的组织收缩以及切割带来的组织压缩和拉伸等。可以在组织切片制作过程中,放置4根标记物作为配准标识点,采用基于外部标记点的配准方法,搜索4个特征参数,包括水平位移、垂直位移、旋转角度和缩放尺度,以最小距离为测度,用Powell算法作为配准过程的优化策略,用基于仿射变化的配准过程对图像做精确配准,使配准后的图片层与层之间较为连续;

 

    对图像进行裁剪,将多余的不含组织信息的背景去除,以减小计算量;同时进行格式转换,使数据量变小;

 

    图像分割是图像三维重建的基础,进行图像分割的目的是将感兴趣的组织区域提取出来,现多采用图像自动识别+人工干预的方法进行数据分割。对一些颜色或灰度差别明显的结构,采用计算机自动初步分割,然后由人工逐幅检查,手工纠正错误的分割并完成尚未分割的部分;

 

    人体组织模型重绘可采用面绘制和体绘制重建两种技术。人体鼻腔组织具有结构复杂、层次简单的特点,仅仅是在鼻黏膜下包含一层骨板,在对鼻腔和鼻窦进行三维模型重绘时常采用面绘制的方案,这是医学图像显示中应用最多的技术。面绘制的优点是轮廓数据量小,绘制速度快。缺点是需要预先提取可视化结构的轮廓,这个提取过程切断了结构轮廓与体数据的联系,使重建结果不能显示三维物体内部信息;此外,由于可视化表面的选定在轮廓提取时就已经确定了,因此这种技术不能交互的、动态的绘制内部结构。

 

    体绘制重建法则直接基于体元绘制,能显示物体丰富的内部细节,已成为三维医学图像可视化的首选方法。该方法不需要先做表面或物体的分割就可以直接观看体图像,并保存了原始图像体数据值的前后关系。体绘制重建的图像效果较好,但该方法运算的数据量大,可视化计算成本高。

 

    3.3 触觉与力觉反馈

 

    医生除了依靠视觉之外,主要利用力觉和触觉来完成手术,因此引入触觉力觉反馈对于手术仿真训练来说至关重要。而实现操作者与虚拟环境操作对象的触觉力觉的信息交互一直是手术仿真的难点和热点。

 

    目前国际上研究、生产虚拟现实触觉和力反馈设备的公司并不多,最著名的是美国的Sensable公司,其生产的PHANTOM装置是一套成功的桌面力反馈设备。该设备是一个具有6个自由度的机电一体化装置,操作方式是以手拖动操作杆,该装置上安装有6个高精度位置传感器和6个直流电机,可以实时给出笔式操作杆的空间位置和姿态,并通过操作杆对操作者进行力反馈。美中不足的是PHANTOM不能模拟手术剪刀的操作并且需要进一步提高6个自由度模拟器的精确度。

 

    中国科学院自动化研究所基于真实手术刀外形研制了一种由微处理器控制且具有力反馈功能的高精度虚拟手术刀系统。上海交通大学国家数字化制造技术中心研制了一种多功能虚拟手术器械,可实现手术刀、手术钳、手术磨钻、手术剪等操作,但还不具备力反馈功能。

 

    3.4 软组织弹性形变

 

    在鼻内镜手术中,手术器械(如内窥镜、手术刀、剥离子等)的操作会引起鼻腔软组织的弹性形变。而人体软组织弹性模型在国内外并没有被单独的提出来进行研究,它只是形变模型在人体软组织建模方面的一个应用领域。

 

    目前主要的形变模型有:非物理模型、质量-弹簧模型、有限元模型和长单元模型。其中质量-弹簧模型与有限元模型是当前研究的热点,也是在人体软组织建模方面应用最多的模型。质量-弹簧模型建模简单、运算速度快但精度不高,稳定性差。相比于离散的质量-弹簧模型,有限元模型是一种连续模型,有很高的计算精度但速度较慢。尽管形变模型中还有研究较热的近似连续模型(如主动轮廓模型等)和低自由度模型,但从国内外的大量资料来看,它们很少应用于人体软组织的建模。

 

    对于不规则的组织,很难用统一的数学方法描述分析计算。而将这些不规则的物体划分成许多小的规则体,这些小的规则体可以用统一的数学方式描述。所以,整个组织的特性也可以用许多小的规则体的规整特性来表示。这就是有限元法的思想。在工程上,有限单元法得到广泛而成熟的应用,为引入计算器官和组织的变形提供了参照。但是有限单元法的精确性是以大规模计算为基础的,这与虚拟手术实时仿真的要求是矛盾的。因此要实现有限元方法在虚拟手术中的应用,改进方程组求解算法提高计算性能是关键。

 

    3.5 空间漫游技术

 

    虚拟手术中的空间漫游主要包括两部分内容。一是交互式浏览。这是所有虚拟场景中最基本的内容,如前进、后退、转弯等,这在计算机图形学上是十分成熟的技术。二是路径规划。这是虚拟手术特有的内容,指预先设定漫游路径,以便在漫游过程中沿着这条规划好的路径漫游。一般是预先抽取特定组织的中心路径作为漫游路径,主要有在3D的切片图像和3D重构图形中抽取中心路径2种方法。沿着主要的视线方向,在二维的切片图像中抽取出相应组织的中心轴线,然后将每个切片中心线连起来,经后处理形成中心路径,这种在2D切片图像中构造的中心路径包含有较多的错误,结果不理想。在3D重构的组织图形中抽取中心路径是较为常用的方法,但十分耗时。

 

    应用

 

    4.1 解剖结构教学

 

    通过虚拟现实技术建立起人体结构模型,可以使学生通过人机交互式浏览,在模型内部“漫游”,能让学生非常直观、轻松地学习解剖结构,发挥学习的主动性。

 

    4.2 制定手术方案

 

    手术前可以在基于患者影像学资料建立的虚拟环境中进行实验,选择最安全有效的路径以避免实际手术中的风险]。

 

    4.3 虚拟手术培训

 

    虚拟手术培训是虚拟现实技术在医学手术仿真训练中最重要的应用。由于虚拟现实技术能够虚拟出“真实的世界”,运用该技术可以让年轻医生在计算机上进行多次的手术仿真训练,这样大大节约了培训医务人员的费用和时间,依据专家的经验创建出的手术专家系统还可以在训练中进行必要的提示和指导。

 

    面临的问题和发展趋势

 

    目前,虚拟现实技术在鼻外科中的应用己经取得了长足的进步,许多已经接近商品化水平,但也存在着很多不足,技术上还存在许多问题有待解决。典型的问题是:

 

    可视化模型精度不足。虽然现已完成较多的切片数据集,但还不能满足精细组织的建模需要,图像的质量仍需进一步提高;

 

    物理模型精度不足。要达到虚拟仿真手术训练系统中的动态力反馈,其实质是建立虚拟人体器官组织的物理模型,即器官组织在外力的作用下产生的物理反应。而人们以往在计算机动画领域中主要研究的是较为简单的刚体物理模型,而人体器官组织则与刚体完全不同,在外力作用下软组织将产生变形,这种变形因不同的组织器官而变化。但实际上现在对软组织物理模型的研究还很少,只有一些来自临床的病理实验表明软组织表现出类纤维胶非线性模型,尚没有得到较为系统成熟的物理模型;

 

    触感装置力反馈精度不足;

 

    仿真实时性与精确性的矛盾。目前采用的三维重建算法产生的三维模型能达到较高的真实感,但又往往存在多边形数量巨大、绘制速度慢的缺点,这和虚拟仿真手术训练系统实时交互所要求的图形绘制速度是相矛盾的。

 

    结合国内外研究进展,总结虚拟现实技术在鼻外科中目前及未来的几个主要研究方向有:

 

    可视化水平发展。包括模型的几何精度、材质体现等。其重点是血管与神经系统的虚拟,提高精细组织如毛细血管、神经等组织的分辨率是数据采集工作发展的要求;

 

    物理特性、生理特性仿真。包括软组织弹性、塑性仿真,生理功能仿真等。其当前热点是软组织弹性形变仿真,后期重点应是生理功能仿真;

 

    触感装置设计。包括手术器械模拟、多自由度力反馈精度等。其当前热点是力反馈机制建模,后期重点应是设计适合于鼻外科手术模拟且具备高精度、强交互性的虚拟手术器械;

 

    可信性验证。加强虚拟手术系统评估方面的研究,以提高仿真逼真度。

 

    随着计算机、多媒体技术的发展以及各国对虚拟现实技术的日益重视,相信这一技术在鼻外科中的应用在将来会取得更大的发展。可以预料,虚拟现实技术在医学中更广泛、更深入的应用将会给传统医疗带来革命性的变化。

标签:医疗鼻外科
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