羅 晶，王海威，王德利，丁 宇，魏 冰，王全玉，顧振強(qiáng)

脛腓骨骨折內(nèi)固定手術(shù)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

羅 晶，王海威，王德利，丁 宇，魏 冰，王全玉，顧振強(qiáng)

目的：設(shè)計(jì)脛腓骨骨折內(nèi)固定手術(shù)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，為醫(yī)學(xué)技能訓(xùn)練提供新方法和新手段。方法：以具有物理屬性的可操作模型為基礎(chǔ)，建立人體組織器官的三維可視模型、軟組織彈性模型和力場(chǎng)力感模型及手術(shù)器械仿真模型，并進(jìn)行手術(shù)模擬、軟組織模擬、切割模擬、海上環(huán)境模擬等關(guān)鍵技術(shù)集成研究。結(jié)果：建立了軟硬件結(jié)合的能夠模擬不同海況環(huán)境條件的虛擬手術(shù)訓(xùn)練平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)脛腓骨骨折內(nèi)固定手術(shù)救治的虛擬培訓(xùn)。結(jié)論：該系統(tǒng)可為操作者提供一個(gè)極具真實(shí)感和沉浸感的訓(xùn)練環(huán)境，是對(duì)海上既往傳統(tǒng)手術(shù)訓(xùn)練模式的一種突破。

脛腓骨骨折內(nèi)固定；虛擬手術(shù)；仿真訓(xùn)練

0 引言

在創(chuàng)傷外科中，骨折為臨床中的常見病和多發(fā)病。切開復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)療效肯定、手術(shù)指征明確、并發(fā)癥較少，是現(xiàn)階段骨折治療的重要方法。據(jù)國(guó)外資料統(tǒng)計(jì)顯示，住院醫(yī)師培訓(xùn)后初期所做手術(shù)中，有5%～20%患者發(fā)生并發(fā)癥。連續(xù)手術(shù)200例后，手術(shù)并發(fā)癥才呈指數(shù)型下降；連續(xù)手術(shù)400例后，手術(shù)成功率才趨于穩(wěn)定。目前，國(guó)內(nèi)各教學(xué)醫(yī)院均為傳統(tǒng)“學(xué)徒式”手術(shù)培訓(xùn)，醫(yī)師僅靠從患者身上獲得臨床經(jīng)驗(yàn)，短期難以掌握手術(shù)技能[1]。當(dāng)前醫(yī)療環(huán)境下，患者自身保護(hù)意識(shí)提高，醫(yī)療賠償費(fèi)用不斷增加，而學(xué)員初期操作給患者帶來潛在風(fēng)險(xiǎn)，迫切需要現(xiàn)有的醫(yī)療臨床實(shí)踐教學(xué)模式革新。利用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)專科手術(shù)操作模擬訓(xùn)練，為醫(yī)學(xué)技能訓(xùn)練提供了新方法和新手段。

國(guó)外許多研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司對(duì)虛擬手術(shù)仿真訓(xùn)練進(jìn)行了一系列研究和實(shí)踐，國(guó)內(nèi)外也有虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)開始逐漸投入使用。但由于技術(shù)不夠成熟以及成本較高等原因，大多數(shù)研究成果僅用于技術(shù)演示和實(shí)驗(yàn)，實(shí)用化、可廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)較少[2]。且多數(shù)研究成果局限于某一具體手術(shù)方式，缺乏對(duì)于手術(shù)仿真系統(tǒng)問題從整體上的分析和規(guī)劃，至今尚無成熟的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)參考模型和原型系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本課題設(shè)計(jì)研發(fā)了脛腓骨骨折切開復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)，為操作者提供了一個(gè)具真實(shí)感和沉浸感的訓(xùn)練環(huán)境，獲得在實(shí)際手術(shù)中的手感并進(jìn)行操作訓(xùn)練。通過實(shí)現(xiàn)軟組織、骨骼組織的建模仿真和對(duì)力反饋設(shè)備的支持獲得手術(shù)過程的觸覺和力反饋交互，交互操作的手術(shù)過程供教學(xué)和訓(xùn)練評(píng)估。虛擬手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能還包括碰撞檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，手術(shù)刀對(duì)軟組織的切割、變形等以及手術(shù)操作評(píng)價(jià)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）通用性。采用通用的框架體系進(jìn)行設(shè)計(jì)。手術(shù)操作各階段步驟和對(duì)應(yīng)手術(shù)部位的人體組織器官模型存儲(chǔ)在外部文件中。對(duì)于不同的手術(shù)，手術(shù)場(chǎng)景的顯示模塊和交互操作模塊統(tǒng)一調(diào)用，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能應(yīng)用的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)模型的復(fù)用。

（2）仿真性。培訓(xùn)者操作時(shí)，選擇所要進(jìn)行訓(xùn)練的手術(shù)，讀取對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景文件和模型文件，各種仿真對(duì)象作為場(chǎng)景中的資源被生成和顯示，實(shí)現(xiàn)真實(shí)手術(shù)場(chǎng)景、真實(shí)手術(shù)視野的逼真復(fù)現(xiàn)。通過多種模型綜合應(yīng)用，獲得操作真實(shí)仿真。

（3）交互性。除實(shí)時(shí)逼真地顯示現(xiàn)實(shí)手術(shù)場(chǎng)景的內(nèi)容，用戶借助于外部設(shè)備進(jìn)行交互操作實(shí)現(xiàn)參與手術(shù)過程的實(shí)時(shí)體驗(yàn)式操作。交互包括2個(gè)方面：一是虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)支持提供交互功能的設(shè)備進(jìn)行手術(shù)操作過程本身；二是在交互操作時(shí)系統(tǒng)計(jì)算人體或器官模型在軟組織變形時(shí)的形變結(jié)果和力反饋輸出。

（4）可評(píng)價(jià)。手術(shù)操作培訓(xùn)應(yīng)用功能上應(yīng)該具有可評(píng)價(jià)性。虛擬手術(shù)操作全過程通過軟件實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)能記錄操作動(dòng)作，精確采集保留過程數(shù)據(jù)，據(jù)此得出手術(shù)訓(xùn)練的客觀評(píng)價(jià)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，提高針對(duì)性和有效性。

1.2 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)功能模塊包括資源管理、場(chǎng)景管理、場(chǎng)景繪制、交互界面和控制管理（如圖1所示）。

圖1 虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)組成部分

（1）資源管理。實(shí)現(xiàn)所模擬手術(shù)及手術(shù)部位內(nèi)容從外部資源文件裝載，完成各組織器官的幾何、生物屬性的加載，讀入手術(shù)步驟外部文件。在手術(shù)場(chǎng)景生成載入物理模型、計(jì)算模型和視覺模型的對(duì)象。

（2）場(chǎng)景管理。通過層次結(jié)構(gòu)的場(chǎng)景組織方式，對(duì)三維場(chǎng)景內(nèi)的對(duì)象進(jìn)行管理。對(duì)同一對(duì)象關(guān)聯(lián)不同應(yīng)用模型，不同的模型采用映射的機(jī)制進(jìn)行管理。

（3）場(chǎng)景繪制。通過碰撞檢測(cè)、場(chǎng)景渲染、各種模型受力變化的計(jì)算實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景顯示。遍歷場(chǎng)景圖中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的碰撞檢測(cè)和手術(shù)操作的力學(xué)、變形、分割等計(jì)算，繪制可見節(jié)點(diǎn)信息，完成場(chǎng)景渲染，形成屏幕中的圖像并支持立體視覺。

（4）交互界面。用戶操作界面UI實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前各種狀態(tài)信息，獲取關(guān)鍵步驟的操作時(shí)間順序等數(shù)據(jù)；提供選取各種手術(shù)器械方式進(jìn)行不同的手術(shù)操作，提供系統(tǒng)各功能按鈕。

（5）控制管理。系統(tǒng)控制管理計(jì)算能力的分配，對(duì)用戶操作進(jìn)行響應(yīng)，結(jié)合各部分計(jì)算結(jié)果調(diào)控系統(tǒng)運(yùn)行。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

對(duì)脛腓骨骨折內(nèi)固定術(shù)操作流程進(jìn)行抽象，將手術(shù)過程分解成術(shù)前準(zhǔn)備、切皮、止血、髕韌帶切開、髕韌帶拉開、髓腔開口、清理工具、植入髓內(nèi)釘、開口、安裝鉆套、鉆孔、測(cè)探、植入鉸鎖螺栓、清理工具、封閉、手術(shù)完成16個(gè)子流程，確立各手術(shù)操作階段手術(shù)器械的使用情況和對(duì)手術(shù)操作的評(píng)估等專業(yè)要求。經(jīng)過對(duì)虛擬手術(shù)器械和相關(guān)手術(shù)部位組織的建模實(shí)現(xiàn)模型加載，建立可操作的模型，實(shí)現(xiàn)手術(shù)過程操作的交互控制。

2.2 開發(fā)平臺(tái)及圖形渲染機(jī)制

虛擬手術(shù)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2008，采用標(biāo)準(zhǔn)C++語言，利用Delta3D引擎的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序編程接口（application programming interface，API）實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用當(dāng)前先進(jìn)的開源仿真引擎Delta3D進(jìn)行圖形繪制及渲染。Delta3D是2002年4月由美國(guó)海軍研究學(xué)院開發(fā)的全功能開源游戲與仿真引擎[1]，采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，封裝開源軟件引擎如OSG（open scene graph）和ODE（pen dynamic engine）等，形成使用方便的高級(jí)API函數(shù)庫(kù)（如圖2所示）。使用Delta3D所開發(fā)出的虛擬手術(shù)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和跨平臺(tái)特性。

圖2 Delta3D環(huán)境虛擬手術(shù)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)

2.3.1 可操作模型的建立

建立具有物理屬性的可操作模型是虛擬仿真的基礎(chǔ)。包括建立人體組織器官的三維可視模型、軟組織彈性模型、力場(chǎng)力感模型、手術(shù)器械仿真模型等。

以3DMAX建立模型導(dǎo)出，通過GMesh工具，把2D表面模型生成相應(yīng)的3D體模型。模型的基本體素是四面體，給四面體加上顏色信息，渲染后可見行為模型的效果圖。在三維模型的基礎(chǔ)上，建立行為模型。在給定的三維模型上標(biāo)定多個(gè)行為節(jié)點(diǎn)，通過節(jié)點(diǎn)變化計(jì)算，換算成三維形體的變形，用于碰撞檢測(cè)和力反饋模擬[3]。抽象的行為模型節(jié)點(diǎn)數(shù)都會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于三維可視模型的點(diǎn)數(shù)，這使仿真計(jì)算公式更好地抽象簡(jiǎn)化，減少了計(jì)算量，提高了計(jì)算實(shí)時(shí)性。圖3和4是脛腓骨組織建模的過程和不同模型，脛腓骨組織模型組成見表1。

組織的各種模型構(gòu)建完成后，系統(tǒng)通過場(chǎng)景圖的方式采用層次結(jié)構(gòu)來組織管理模型文件和相應(yīng)的屬性等數(shù)據(jù)[4-5]。模型是場(chǎng)景圖節(jié)點(diǎn)上的一個(gè)組件，模型的屬性也以節(jié)點(diǎn)的方式附著在模型組件節(jié)點(diǎn)上。

圖3 以脛腓骨為例的人體組織建模

圖4 以脛腓骨為例的人體組織模型

表1 脛腓骨模型組成和成分

2.3.2 三維場(chǎng)景的渲染顯示

在經(jīng)過實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)和各種模型受力變化計(jì)算的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)手術(shù)環(huán)境和過程顯示的場(chǎng)景渲染。采用場(chǎng)景圖進(jìn)行場(chǎng)景的組織和渲染。系統(tǒng)遍歷場(chǎng)景圖中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，繪制可見節(jié)點(diǎn)信息，形成屏幕中的圖像并支持立體視覺。場(chǎng)景圖為對(duì)象的層次結(jié)構(gòu)組織，這種結(jié)構(gòu)具有嵌套和遞歸的特點(diǎn)[6]，明顯提高查詢速度，計(jì)算復(fù)雜度從O（n）提高到O（log n），便于實(shí)時(shí)建立和維護(hù)。為方便用戶使用，場(chǎng)景渲染顯示同時(shí)實(shí)現(xiàn)整個(gè)手術(shù)場(chǎng)景漫游、場(chǎng)景透視等特效模擬，且多視角場(chǎng)景組合。系統(tǒng)顯示截圖如圖5～8所示。

圖5 手術(shù)開始場(chǎng)景

圖6 手術(shù)器械選取

圖7 透視效果

圖8 縫合

2.3.3 支持力反饋設(shè)備的交互操作

使用力反饋交互設(shè)備[7]，操作者能感受到來自器械的阻力和回彈力，從而獲得逼真的手術(shù)操作體驗(yàn)。通過力反饋設(shè)備操作記錄，還能獲得操作準(zhǔn)確性和正確性的評(píng)估數(shù)據(jù)，真正達(dá)到手術(shù)訓(xùn)練效果。

虛擬手術(shù)的臨場(chǎng)感、操作感、沉浸感都要靠實(shí)際的交互設(shè)備得以體現(xiàn)。為了支持這些設(shè)備，建立起虛擬的設(shè)備抽象層，通過其和每個(gè)具體的交互設(shè)備硬件建立連接和反饋。對(duì)外部設(shè)備的各種操作進(jìn)行封裝，為用戶提供交互的圖形用戶界界。實(shí)現(xiàn)方法如圖9所示。

圖9 InputServer抽象虛擬層

支持力反饋的虛擬手術(shù)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)將觸覺仿真部分從其他的系統(tǒng)模塊中獨(dú)立分離出來，包含應(yīng)用程序進(jìn)程和觸覺仿真進(jìn)程2個(gè)異步運(yùn)行進(jìn)程。應(yīng)用程序進(jìn)程渲染繪制觸覺場(chǎng)景構(gòu)建手術(shù)環(huán)境，同時(shí)啟動(dòng)觸覺仿真進(jìn)程；觸覺仿真進(jìn)程只負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)力反饋，維持很高的刷新頻率（1 000 Hz）。軟件實(shí)現(xiàn)效果如圖10所示。

圖10 軟件實(shí)現(xiàn)效果圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果

我院自2011年在外科教研室應(yīng)用該訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)培訓(xùn)。通過對(duì)30名學(xué)員進(jìn)行理論授課結(jié)合虛擬手術(shù)操作的反復(fù)訓(xùn)練，與動(dòng)物手術(shù)操作為對(duì)照進(jìn)行評(píng)估考核，經(jīng)過評(píng)估考核優(yōu)良率達(dá)到95%，表明學(xué)員已順利掌握了該手術(shù)的關(guān)鍵步驟[8-9]。在我院海上醫(yī)療隊(duì)執(zhí)行出訪拉美4國(guó)的海外醫(yī)療活動(dòng)任務(wù)中，使用該裝置進(jìn)行了脛腓骨骨折內(nèi)固定術(shù)的手術(shù)培訓(xùn)。醫(yī)療隊(duì)員在手術(shù)室準(zhǔn)備間內(nèi)進(jìn)行虛擬手術(shù)培訓(xùn)操作的應(yīng)用場(chǎng)景如圖11、12所示。執(zhí)行任務(wù)期間，課題組還就虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行了調(diào)查。發(fā)放問卷100份，收回100份，其中有效問卷為98份，調(diào)查結(jié)果見表2。

圖11 虛擬手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景

圖12 海上演練應(yīng)用展示虛擬手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)場(chǎng)景

表2 虛擬手術(shù)培訓(xùn)效果調(diào)查結(jié)果匯總

4 結(jié)語

仿真技術(shù)是以控制理論、數(shù)模與計(jì)算技術(shù)、信息技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，借助系統(tǒng)模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究的一門新興綜合性技術(shù)。其為可控制、無破壞性、耗費(fèi)小、允許多次重復(fù)的試驗(yàn)手段，以高效、優(yōu)質(zhì)、低廉體現(xiàn)其強(qiáng)大的生命力和潛在的能力[10]。它是迄今為止最有效、經(jīng)濟(jì)的綜合集成方法之一，是推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的戰(zhàn)略技術(shù)[11]。

本課題將虛擬仿真技術(shù)中的3D建模技術(shù)、3D場(chǎng)景渲染技術(shù)、軟組織變形與切割等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)集成應(yīng)用，研發(fā)了軟硬件結(jié)合的訓(xùn)練平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了模擬海上手術(shù)操作的醫(yī)療隊(duì)專科手術(shù)針對(duì)性訓(xùn)練，為該技術(shù)的集成及在本領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)行了創(chuàng)新探索，同時(shí)對(duì)海上既往傳統(tǒng)手術(shù)訓(xùn)練模式實(shí)現(xiàn)了突破，填補(bǔ)了該研究領(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用的空白。

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（收稿：2014-02-07 修回：2014-06-20）

2015江蘇國(guó)際醫(yī)療器械科技博覽會(huì)媒體見面會(huì)在常州召開

2015江蘇國(guó)際醫(yī)療器械科技博覽會(huì)（MEDITEXPO JIANGSU 2015）媒體見面會(huì)于2015年2月5日在常州舉行。江蘇省食品藥品監(jiān)督管理局，江蘇省常州市食品藥品監(jiān)督管理局，常州市武進(jìn)區(qū)人民政府、衛(wèi)生局、食品藥品監(jiān)督管理局，中國(guó)中西醫(yī)結(jié)合災(zāi)害醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)，中國(guó)醫(yī)療器械行業(yè)協(xié)會(huì)，江蘇省醫(yī)療器械行業(yè)協(xié)會(huì)，常州市醫(yī)療器械行業(yè)協(xié)會(huì)，常州國(guó)家醫(yī)療器械國(guó)際創(chuàng)新園，常州國(guó)際醫(yī)療器械城，UBM China博聞集團(tuán)等單位的領(lǐng)導(dǎo)應(yīng)邀出席見面會(huì)。來自相關(guān)專業(yè)媒體的40多名代表以及60多名行業(yè)嘉賓出席了會(huì)議。江蘇省醫(yī)療器械行業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)劉建華、常州市武進(jìn)區(qū)人民政府副區(qū)長(zhǎng)王明昌、中華醫(yī)學(xué)會(huì)中華衛(wèi)生應(yīng)急電子雜志總編岳茂興、常州市醫(yī)療器械行業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)徐岳忠、博聞中國(guó)集團(tuán)首席代表Philip Chapnick和副總經(jīng)理李小蕾先后致辭。

2015江蘇國(guó)際醫(yī)療器械科技博覽會(huì)（展會(huì)官網(wǎng)：www.meditexpo.com）由UBM China博聞中國(guó)與常州國(guó)際醫(yī)療器械城聯(lián)合主辦，將于2015年9月24—26日在常州西太湖國(guó)際博覽中心舉行。展會(huì)同期將舉辦全國(guó)中西醫(yī)結(jié)合災(zāi)害醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)大會(huì)，中國(guó)國(guó)際骨科、生物材料和傷口護(hù)理產(chǎn)業(yè)與投資峰會(huì)，高分子醫(yī)用耗材發(fā)展論壇，江蘇省醫(yī)療器械行業(yè)協(xié)會(huì)年會(huì)等學(xué)術(shù)論壇及行業(yè)會(huì)議。展會(huì)預(yù)計(jì)展覽面積達(dá)30 000 m2，將吸引800多家國(guó)內(nèi)外醫(yī)療器械知名企業(yè)參與，專業(yè)觀眾預(yù)計(jì)突破30 000人次。

（2015江蘇國(guó)際醫(yī)療器械科技博覽會(huì)主辦方 供稿）

Design and implementation of tibiofibula fracture fixation operation simulation training system

LUO Jing1,WANG Hai-wei1,WANG De-li1,DING Yu1,WEI Bing1,WANG Quan-yu2,GU Zhen-qiang2
(1.Navy General Hospital,Beijing 100048,China;2.Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

ObjectiveTo design a tibiofibula fracture fixation operation simulation training system.MethodsSome applicable mode with physical attributes was used to establish three-dimensional visible model of human tissues and organs,soft tissue elasticity model，induction force and induction frequency converter model,and the simulation model of operation instruments.Integrated researches were carried out for the key technologies of surgery simulation,cutting simulation,sea environment simulation and etc.ResultsA virtual operation training platform with hardware and software was developed which could simulate different sea environment conditions and realize virtual training of tibiofibula fracture fixation operation.ConclusionThe system provides a training environment with the senses of reality and immersion.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（3）：24-27]

tibiofibula fracture fixation;virtual surgery;simulation training

R318；TP311.13

A

1003-8868（2015）03-0024-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.03.024

海軍后勤部科研計(jì)劃（BHJ09RD09）

專 利：國(guó)家實(shí)用新型專利（ZL 201120543924.8，ZL 201120543915.9）

羅 晶（1971—），女，高級(jí)工程師，主要從事醫(yī)院信息化及海軍衛(wèi)勤信息化方面的研究工作，E-mail：luojing1988@sina.com。

100048北京，海軍總醫(yī)院（羅 晶，王海威 王德利，丁 宇，魏 冰）；100081北京，北京理工大學(xué)（王全玉，顧振強(qiáng)）

王海威，E-mail：comfort866@sina.com