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基于虚拟现实技术的正颌手术模拟预测方法建立
时间:2015-10-30    评论:0
    来源:第三维度
    作者:于洪波,沈国芳,刘炳凯,范秀敏,王旭东,张诗雷
    单位:上海交通大学医学院附属第九人民医院
        上海市口腔医学重点实验室
        上海交通大学机械与动力学院

    目的: 探索建立基于虚拟现实技术的正颌手术模拟研究方法。

    方法: 将颌面畸形患者 CT 断 层 图 像 利 用Simplant 软件行颅颌面骨组织三维重建, 截骨, 构建颅颌面骨树状结构模型。 在虚拟环境碰撞模型上行上颌骨Le Fort Ⅰ 型截骨、双侧下颌支矢状劈开及颏成形的手术模拟。 

    结果:该系统形成的三维立体虚拟影像,可从任意视角观察,清晰逼真。 运用系统工具进行骨组织的旋转、平移等手术模拟操作,实现了操作者与模型的交互作用,图像及触觉感知实时反馈,沉浸感强。 应用该方法实现了正颌手术设计、虚拟操作及术后效果预测。 

    结论:颅面三维虚拟正颌手术系统可以行正颌手术模拟及手术操作训练,在虚拟环境下实现图像反馈和力、触觉感知的手术模拟,具有较高的临床应用价值。

    传统的正颌手术模拟及预测是建立在头影测量分析或计算机颅面轮廓图二维平面基础上的, 存在着解剖结构重叠、信息丢失、二维数据不能完全反映三维结构、诊断及手术方案制订困难,以及术后效果难以预测等缺点,尤其对于偏颌及复杂畸形的患者[1]。 而现今临床应用的三维手术设计及模拟软件,尽管可在三维重建模型上进行操作, 但是仍在传统二维显示屏上显示, 在一定程度上限制了三维模拟显示的效果和意义[2]。 另外,现今临床上缺乏理想的手术操作培训及训练系统, 受培训者解剖知识的获取仅限于教科书及术中助手的培训, 操作培训时间长且效率低。

    随着信息科学与生命科学的发展以及不同学科的交叉和渗透,虚拟现实技术(virtual reality, VR)被逐渐用于医学领域。 在医学手术教学和仿真训练等方面,VR 技术有着不可替代的和令人鼓舞的应用前景[3]。 本研究探索建立基于 VR 技术的正颌手术模拟预测研究方法, 在虚拟环境下模型显示, 交互操作,利用视触觉感知进行正颌手术模拟与预测。

    1 材料与方法

    1.1 设备与软件

    Light speed 16 螺 旋 CT (GE 公 司 ),Simplant 12.02 软件 (Materialise 公司),惠普 xw9300 工作站,VR-Flier 虚拟现实互动操作平台、 系统控制平台、SGI OpenGL Performer 虚拟现实交互软件 (上海交通大学计算机集成制造研究所研制),虚拟现实立体成像系统 (上海交通大学计算机集成制造研究所虚拟现实与系统仿真研究部),Infitec 光谱分离立体眼镜 (Barco 公 司), Phantom Desktop 力 反 馈 设 备 、Immersion CyberGlove 数据手套(四维宇宙公司)。

    1.2 病例选择及数据获取

    选择临床上术前正畸已结束、 等待行正颌手术的骨性Ⅱ类及Ⅲ类错畸形患者各 2 例,行术前 CT扫描。

    CT 平扫:连续、无间隔、无重叠、螺旋方式水平位薄层扫描;层厚 1.25mm,图像大小 512×512 像素,140kV,250mA。扫描基准面平行于眶耳平面,垂直于水平面。 扫描范围:颅顶至舌骨水平。 数据输出格式为 DICOM (digital imaging and communications inmedicine),并刻录成光盘。

    1.3 三维重建及截骨术

    将 CT 数据输入 Simplant12.02 软件系统, 载入图像重建体数据。 改变 CT 值的窗宽、窗位,使图像中只包含完整的骨组织, 设定此时的 CT 洪斯菲尔德(Hounsfield)阈值自动提取骨组织。 经二维预处理(区域剪切、滤波),三维预处理(切片插值、图像分割、切片重组)行骨组织的三维重建。 在三维重建的颅颌面模型上,行区域增长(region growing)、布尔运算(boolean operations),分离下颌骨。利用 Simplant 软件模型的截骨操作功能,在模型上行上颌骨 Le FortⅠ型截骨、 双侧下颌支矢状劈开 (bilateral sagittalsplit ramus osteotomy, BSSRO)、颏成形截骨术,将头颅模型分割,建立颅颌面骨的“树状”结构模型(图 1)。


图 1. 颌面骨模型上行上颌骨 Le Fort Ⅰ型、BSSRO 及颏成形术截骨
Figure 1. 3-D bone model osteotomy and segmentation

    1.4 虚拟现实及交互操作

   在虚拟环境下行上颌骨 Le FortⅠ 型 截 骨 、BSSRO及颏成形术的手术模拟。 操作者通过佩戴光谱分离立体眼镜,观察显示器内的三维虚拟图像,选择需要观察移位的骨块 (上颌骨、 下颌骨及其截骨块),在虚拟环境下以任意角度显示。 利用 Phantom Desktop 力反馈设备接触颌骨碰撞模型,感受其反作用力(图 2)。 双手佩戴数据手套,在 VR 空间内对颅颌面骨模型进行操作, 操作者抓持所需移动的骨块模型,在三维空间行平移、旋转等操作,改变其相对位置,模拟手术骨块的移动,矫治颌骨畸形,并行术后效果的显示及评价。


图 2 . 虚拟手术。 A. 虚拟环境触觉反馈感知;
B. 佩戴数据手套,虚拟环境下行正颌手术模拟

    2 结果

    Simplant 软件既可行颅面软硬组织的三维重建,又可用于颌面部三维测量分析及诊断。按照临床常用术式行上、下颌骨截骨分块,建立颅颌面骨“树状 ” 结 构 模 型 , 并 转 换 输 出 图 形 通 用 STL(stereolithography)格式。 虚拟环境下,操作者佩戴光谱分离立体眼镜,可从任意角度观察虚拟图像,沉浸感强。 通过触觉反馈装置,数据手套在接触、抓持碰撞模型中产生实时力反馈感知。骨块移动过程中,与邻近骨的接触、碰撞时可感其反作用力。 利用视觉、触觉及力觉多感知交互模型,模拟真实的手术操作,实现了图像及力触觉感知的实时反馈, 最大限度地模拟了真实手术过程,完成了正颌手术设计、操作训练及术后效果显示(图 3)。


图 3. 虚拟环境下行正颌手术截骨移位模拟。
 A.上颌骨 Le Fort Ⅰ型截骨,B.BSSRO,C.颏成形术

    3 讨论

    在医学手术教学和仿真训练等方面,VR 技术有着不可比拟的优势[3]。 通过该技术,医务人员可沉浸于虚拟的场景内,通过视、听、触觉感知并学习各种手术操作。 而虚拟医学手术仿真训练是一种技术难度较大的研究,与其他 VR 技术相比,具有虚拟场景复杂,需要产生多层次、多形态、多相联关系的三维虚拟人体组织,人机交互性强,定位、反馈精确度要求高的特点。

    对虚拟手术而言, 在 CT 数据重建出来的三维模型上进行切割、截骨、位移等手术操作是此类研究的重点和难点。 Xia 等[4]通过建立颅颌面骨的树状结构模型, 实现虚拟环境下正颌手术的模拟操作及术后预测。 Sohmura 等[5]利用虚拟触觉反馈装置,实现了在重建模型上截骨、骨块位移等操作,从视觉、触觉感知上模拟正颌手术。 徐鹏宇等[6]建立三维 VS 系统显示三维图像,模拟骨组织的切割、旋转和平移等手术操作并预测手术效果。 在头颅的多边形网格模型上,进行正确的截骨操作十分困难,因而常在分割过程中进行,如预先生成截骨面,采用多平面切割元素移除法等[7]。

    本实验尝试利用 Simplant 软件行颅面骨三维重建、截骨,各骨块经体数据重建,形成三维体数据模型;并且每个骨块具有自己的 ID 号,预先生成颅面骨的“树状”结构模型。 在虚拟环境下行骨块三维空间旋转、移位模拟,减小了软件运算量,解决了截骨操作的难题,使虚拟手术模拟简便易行。

    外科医师通常通过教科书和术中助手来积累解剖知识,而这两种形式都是被动学习[8]。 在初次手术操作前,实习医师动手机会很少,即使是经验丰富的外科医师, 通过对患者个体三维重建和手术操作的虚拟模拟也可受益匪浅[9]。本实验操作实现了上颌骨Le FortⅠ 型截骨术、BSSRO、 颏成形术等常规正颌手术操作,模拟了真实的手术截骨及移动。而传统的头影描记图只局限于二维的侧貌模拟, 模型外科尽管实现了三维的操作及模拟, 但由于缺乏颅颌面骨的整体结构,仅反映局部上、下颌骨及的关系。 本模拟系统既包括颅颌面骨的三维结构, 同时也包括面部软组织结构, 并能在虚拟环境下行截骨及骨块移动,具有更加逼真、形象、直观、科学的特点。

    本研究也充分肯定了虚拟手术在教学及操作训练上的意义。通过正颌手术的虚拟操作,不仅可使初学者对手术操作有感性认识及切身体会, 而且对于经验丰富的医师, 也可利用此技术进行手术设计及医医间、医患间的沟通与交流。对于虚拟手术的手术教学及操作训练的功能, 学者们进行了大量研究。

    Windsor 等[10]借助虚拟外科模拟系统,对学习方式、内镜手术经验及操作技能之间的关系进行了研究。

    Lehmann 等[11]利用内镜模型发现,虚拟环境下获得的操作技术可直接用于临床操作, 而对于经验丰富的专家效果有限, 提示模拟训练主要是培训以往临床上需通过几年实践来获得的操作技能。 Sternberg等[12]发现,虚拟根尖截骨模拟系统可显著提高受训者的操作技能及自我客观评价能力, 较好地满足临床医师的手术教学训练需要, 使学习者快速直观地学习解剖结构,掌握手术操作,并且虚拟训练技能可直接用于临床,具有较高的手术教学意义。

    本研究中,操作者通过佩戴立体眼镜,虚拟环境下可从任意视角观察模型,沉浸感强,有“身临其境”之感;通过数据手套、力反馈设备行手术模拟,实现实时力、触觉反馈感知。当移动骨块与邻近组织碰撞或接触时,可明显感觉反馈力。操作者与模型间交互性强,从视、触觉感知上模拟手术。利用该方法,既可以行术前设计及制定手术计划, 又能够模拟手术操作,满足手术教学及操作训练的需要。但为了实现更加真实的手术模拟效果, 尚需软组织及骨切割变形及力、触觉反馈方面的后续研究。

    [参考文献]

    [1] Caloss R, Atkins K, Stella JP. Three-dimensional imaging forvirtual assessment and treatment simulation in orthogna thicsurgery[J]. Oral Maxillofac Surg Clin N Am,2007,19(3):287-309.

    [2] 张诗雷,张志愿,沈国芳. 基于 CT 的三维正颌手术仿真模拟平台的建立[J].中国口腔颌面外科杂志,2004,2(2):95-98.

    [3] Chou B, Handa VL. Simulators and virtual reality in surgical education[J]. Obstet Gynecol Clin North Am,2006,33(2):283-296.

    [4] Xia J, Ip HHS, Samman N, et al. Computer-assisted threedimensional surgical planning and simulation: 3D virtual osteotomy[J]. Int J Oral Maxillofac Surg,2000,29(1):11-17.

    [5] Sohmura T, Hojo H, Nakajima M, et al. Prototype of simulation of orthognathic surgery using a virtual reality haptic device[J]. Int J Oral Maxillofac Surg,2004,33(8):740-750.

    [6] 徐鹏宇,鲍旭东,张林.正颌外科颅面三维虚拟手术系统的建立[J].中国医学影像技术,20003,19(12):1739-1741.

    [7] 龙胜春,刘盛. 颅颌面整复术前规划虚拟截骨研究[J]. 浙江工业大学学报,2006,34(5):534-537.

    [8] Ramshaw BJ, Young D, Garcha I, et al. The role of multimedia interactive programs in training for laparoscopic procedures [J].Surg Endosc, 2001, 15(1):21-27.

    [9] Bloom MB, Rawn CL, Salzberg AD, et al. Virtual reality applied to procedural testing: the next era[J]. Ann Surg, 2003, 237(3) :442-448.

    [10] Windsor JA, Diener S, Zoha F. Leaning style and laparoscopic experience in psychomotor skill performance using a virtual reality surgical simulator[J]. Am J Surg, 2008, 195(6):837-842.

    [11] Lehmann KS, Ritz JP, Maass H, et al. A prospective randomized study to test the transfer of basic psychomotor skills from virtual reality to physical reality in a comparable training setting[J]. Ann Surg, 2005,241(3):442-449.

    [12] Sternberg N, Bartsch MS, Petersik A, et al. Leaning by doing virtually[J]. Int J Oral Maxillofac Surg, 2007,36(5):386-390.
标签:正颌手术医疗
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