徐明哲，王殊軼，孫昌英

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

1 引 言

腹腔鏡手術(shù)相較于傳統(tǒng)外科手術(shù)具有創(chuàng)傷小、術(shù)后疼痛輕、住院時(shí)間短、美容效果好等特點(diǎn)，因此普及化程度越來(lái)越高。但其與傳統(tǒng)的開放手術(shù)相比，醫(yī)生在操作技巧上有明顯的區(qū)別，腹腔鏡手術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)手術(shù)的特點(diǎn)有：(1)二維的空間觀念感；(2)熟練掌握腹腔鏡器械；(3)腹腔鏡下解剖的識(shí)別能力；(4)雙手的協(xié)調(diào)性。由此可見其技術(shù)難度大，學(xué)習(xí)曲線長(zhǎng)，培養(yǎng)方式與傳統(tǒng)外科醫(yī)師的培養(yǎng)也有所不同，所以對(duì)醫(yī)師進(jìn)行腹腔鏡手術(shù)技能培訓(xùn)非常有必要[1-2]。研究發(fā)現(xiàn)，腹腔鏡醫(yī)生的手術(shù)培訓(xùn)效果、手術(shù)經(jīng)驗(yàn)與腹腔鏡手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生有著密切的關(guān)系[3-4]。國(guó)外的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)針對(duì)這一現(xiàn)象開發(fā)出了腹腔鏡手術(shù)客觀評(píng)價(jià)系統(tǒng)，通過(guò)采集培訓(xùn)者在腹腔鏡培訓(xùn)中一系列的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對(duì)培訓(xùn)者的操作完成評(píng)價(jià)[5-7]，如Varas等[8]通過(guò)2名資深腹腔鏡醫(yī)師對(duì)培訓(xùn)者的錄像過(guò)程中的行為進(jìn)行分析，根據(jù)操作時(shí)間、手運(yùn)動(dòng)的路徑及錯(cuò)誤率等指標(biāo)進(jìn)行腹腔鏡培訓(xùn)效果評(píng)分。Aggarwal等[9]利用兩名打分人員通過(guò)視頻錄像對(duì)操作者下針的位置、針的運(yùn)動(dòng)軌跡、打結(jié)的技巧等方面來(lái)評(píng)價(jià)操作者的培訓(xùn)績(jī)效。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)人機(jī)系統(tǒng)組開發(fā)了一款TrEndo機(jī)械式手術(shù)追蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個(gè)萬(wàn)向節(jié)和三個(gè)光學(xué)傳感器組成的能檢測(cè)到四個(gè)自由度的微創(chuàng)手術(shù)追蹤系統(tǒng), 傳感器檢測(cè)器械平移的精度為0.06 mm,器械沿自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的角度精度為1.27°，器械圍繞微創(chuàng)傷口轉(zhuǎn)動(dòng)的最小角度為0.23°。TrEndo系統(tǒng)的準(zhǔn)確度高于95%，是一款優(yōu)良的客觀評(píng)價(jià)系統(tǒng)，但造價(jià)也極其昂貴[10-11]。

在國(guó)內(nèi)研究領(lǐng)域中，目前只有主觀評(píng)價(jià)模式，而基于客觀指標(biāo)對(duì)于腹腔鏡操作技能的評(píng)估，國(guó)內(nèi)尚無(wú)研究。如國(guó)內(nèi)魯欣等[12]采樣實(shí)時(shí)考核兩種考核方式對(duì)受訓(xùn)者的培訓(xùn)結(jié)果，其過(guò)程較費(fèi)時(shí)、耗人力，只適用于受試者不多的技能評(píng)估。

目前由于傳統(tǒng)腹腔鏡培訓(xùn)評(píng)價(jià)體系耗時(shí)、耗力和國(guó)外培訓(xùn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)昂貴的價(jià)格限制，絕大多數(shù)綜合醫(yī)院的年輕醫(yī)師得不到有效的腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)機(jī)會(huì)。為了有效緩解這一問(wèn)題，本研究開發(fā)設(shè)計(jì)了基于微電子機(jī)械(micro electronic mechanical system，MEMS)加速度傳感器的腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練評(píng)價(jià)系統(tǒng)，采取卡爾曼濾波算法對(duì)獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，減少環(huán)境噪聲的影響，并使用歐拉角算法，引入陀螺儀數(shù)據(jù)用于消除重力加速度對(duì)各個(gè)軸分量的影響，得到器械的三軸運(yùn)動(dòng)加速度，使用軟件編程實(shí)現(xiàn)了腹腔鏡手術(shù)培訓(xùn)任務(wù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，測(cè)量指標(biāo)包括：操作時(shí)間、平均速度、器械運(yùn)動(dòng)平滑性、器械空閑率，實(shí)現(xiàn)了腹腔鏡訓(xùn)練過(guò)程中對(duì)器械評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集、分析和保存，并使用培訓(xùn)箱進(jìn)行了訓(xùn)練任務(wù)測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。

2 系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其實(shí)現(xiàn)

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

我們所設(shè)計(jì)的腹腔鏡訓(xùn)練評(píng)價(jià)系統(tǒng)主要采集培訓(xùn)過(guò)程中手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過(guò)分析相應(yīng)的指標(biāo)評(píng)價(jià)測(cè)試者的培訓(xùn)過(guò)程，提供培訓(xùn)建議，提高培訓(xùn)效果。

本研究所選擇的操作評(píng)價(jià)指標(biāo)為：(1)操作時(shí)間：以秒為單位，描述操作過(guò)程的總時(shí)間(不論任務(wù)完成與否)。(2)平均速度：以厘米每秒為單位，描述器械尖端在操作過(guò)程中的平均速度。(3)運(yùn)動(dòng)平滑性：為加速度的變化率，用以描述操作過(guò)程器械運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)程度。(4)空閑率：任務(wù)過(guò)程中器械無(wú)運(yùn)動(dòng)時(shí)間與操作時(shí)間的比例。

這些評(píng)價(jià)指標(biāo)中，完成時(shí)間、移動(dòng)距離、平均速度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)度實(shí)現(xiàn)對(duì)操作者任務(wù)完成效率進(jìn)行評(píng)價(jià)；空閑率和學(xué)習(xí)曲線可以對(duì)操作者的任務(wù)完成效率進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜合上述指標(biāo)可以對(duì)培訓(xùn)者進(jìn)行指導(dǎo)，提高培訓(xùn)效率。

本研究設(shè)計(jì)了MEMS加速度傳感器模塊(采樣頻率100 Hz)[13-14]，獨(dú)立獲取原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)軟件使用不同的公式得到評(píng)價(jià)參數(shù)。

使用Micron Tracker雙目視覺系統(tǒng)獲得的器械三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算任務(wù)完成時(shí)間、器械尖端總位移長(zhǎng)度、空閑率指標(biāo)，使用MEMS加速度傳感器獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)積分和微分分別得到器械的速度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)度指標(biāo)，經(jīng)過(guò)軟件處理平臺(tái)，完成由原始數(shù)據(jù)到指標(biāo)的計(jì)算和數(shù)據(jù)保存，并導(dǎo)出培訓(xùn)完成情況報(bào)告，見圖1。

圖1系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

Fig1Systemconfigurationblockdiagram

2.2 指標(biāo)獲取

2.2.1硬件平臺(tái) 基于意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的iNEMO慣性傳感器模塊LSM330DLC，本研究設(shè)計(jì)并制作了MEMS加速度傳感器測(cè)量模塊。

由于測(cè)量過(guò)程中，傳感器數(shù)據(jù)容易受到環(huán)境變化的影響，會(huì)有大量的噪聲進(jìn)入傳感器輸出數(shù)據(jù)，而且噪聲的頻率和運(yùn)動(dòng)參數(shù)頻率混疊，因此本研究應(yīng)用信號(hào)融合的方法，提高數(shù)據(jù)精度[15]。采用卡爾曼濾波算法對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域?yàn)V波，采用歐拉角算法實(shí)時(shí)計(jì)算傳感器的位置，消除固有的重力加速度在各軸上的分量[16-20]。其原始數(shù)據(jù)處理流程圖見圖2。

圖2 MEMS模塊實(shí)現(xiàn)流程圖

Fig2MEMSmoduleimplementationflowchart

2.2.2加速度傳感器模塊標(biāo)定 MEMS加速度傳感器焊接到印制電路板上時(shí)會(huì)受到外部應(yīng)力，這樣會(huì)影響傳感器的敏感度和零點(diǎn)輸出，因此需要對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

(1)量程標(biāo)定

將焊接好的傳感器Z軸放置于水平位置，當(dāng)傳感器Z軸輸出穩(wěn)定時(shí)，再將傳感器翻轉(zhuǎn)180°(Z軸另外一個(gè)方向水平放置)，等待傳感器輸出穩(wěn)定。這樣就相當(dāng)于±1 g的加速度被加載到Z軸上，將穩(wěn)定讀數(shù)的較大值減去較小值，然后除以2就得到傳感器的實(shí)際敏感度，Y軸和X軸也按照上述過(guò)程進(jìn)行標(biāo)定。由于焊接好的傳感器敏感度隨時(shí)間和溫度變化很小，所以只需要標(biāo)定一次即可[15]。

(2)零點(diǎn)標(biāo)定

零點(diǎn)標(biāo)定是指在傳感器某一軸上加載0 g的固定輸入時(shí)，測(cè)量值偏離加速度敏感標(biāo)定中點(diǎn)的程度，零點(diǎn)輸出會(huì)隨著焊接應(yīng)力和超出測(cè)量范圍的外部機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生輕微的變化，因此，在每次使用前都應(yīng)該進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定消除影響。

(3)卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

卡爾曼濾波分為兩部分:時(shí)間更新與測(cè)量更新。隨著時(shí)間更新方程和測(cè)量更新方程的計(jì)算，系統(tǒng)狀態(tài)的估計(jì)被重復(fù)進(jìn)行著： 前一次的后驗(yàn)估計(jì)被用于預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的先驗(yàn)估計(jì)，見圖3。

本研究采集一段MEMS加速度傳感器的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)串口上傳到PC并保存，見圖4，經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波之后的數(shù)據(jù)平滑很多，濾波算法效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

(4)歐拉角算法實(shí)現(xiàn)

圖3 預(yù)測(cè)和校正方程關(guān)系圖

圖4 濾波數(shù)據(jù)對(duì)比圖

Fig4Filterdatacontrastfigure

其中，θ、Ψ和φ分別表示陀螺儀測(cè)得的目標(biāo)物體繞x、y、z軸的旋轉(zhuǎn)角度。當(dāng)陀螺儀的采樣速度很高時(shí)，由于采樣時(shí)間間隔很小，因此，可以認(rèn)為目標(biāo)物體沿各個(gè)軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)角度即為陀螺儀測(cè)得的各個(gè)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)角度。為了滿足本研究所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量要求，采用Ck和Ck+1分別表示目標(biāo)物體第k次和第k+1次采樣時(shí)刻測(cè)得的轉(zhuǎn)移矩陣，因此，我們可使用以下公式：

Ck+1=CkAk

(1)

(2)

(3)

(4)

σx、σy、σz分別表示在間隔時(shí)間內(nèi)x、y、z三個(gè)方向的陀螺儀所測(cè)得的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。通過(guò)上述變換，就把計(jì)算k+1次轉(zhuǎn)移矩陣變化的任務(wù)變成了只需要計(jì)算從k次到k+1次之間轉(zhuǎn)移矩陣的一次變化的任務(wù)，然后通過(guò)遞推可以實(shí)時(shí)的更新轉(zhuǎn)移矩陣。

2.2.3軟件平臺(tái) 使用LabVIEW編寫系統(tǒng)軟件，其中各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下文所述。

(1)操作時(shí)間：以秒為單位描述操作過(guò)程的總時(shí)間(不論任務(wù)完成與否)。

(5)

(2)平均速度：以厘米每秒為單位描述器械尖端在操作過(guò)程中的平均速度。

(6)

其中ax、ay、az分別表示MEMS加速度傳感器模塊測(cè)得的器械沿傳感器三個(gè)軸的加速度值。

(3)運(yùn)動(dòng)平滑性：為加速度的變化率，用以描述操作過(guò)程器械運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)程度。

(7)

(4)空閑率：任務(wù)過(guò)程中器械無(wú)運(yùn)動(dòng)時(shí)間與操作時(shí)間的比例。其中Tf表示器械運(yùn)動(dòng)加速度模值小于0.01g的時(shí)間。

(8)

3 左右移環(huán)任務(wù)測(cè)試驗(yàn)證

3.1 測(cè)試流程

測(cè)試招募身體健康的在校女大學(xué)生一名，年齡25周歲，右利手，在進(jìn)行培訓(xùn)評(píng)價(jià)之前無(wú)腹腔鏡手術(shù)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的視頻培訓(xùn)，以使受訓(xùn)者掌握模擬腹腔鏡手術(shù)器械訓(xùn)練過(guò)程。本次培訓(xùn)選擇左右移環(huán)任務(wù)，左右移環(huán)任務(wù)為腹腔鏡培訓(xùn)的基礎(chǔ)操作[21]。此次測(cè)試中培訓(xùn)者需要完成十次訓(xùn)練，每次中間間隔15 min，讓受訓(xùn)者肌肉得到休息。訓(xùn)練選用的腹腔鏡模擬訓(xùn)練箱是由瑞紅實(shí)驗(yàn)室設(shè)備有限公司生產(chǎn)的200E型腹腔鏡模擬訓(xùn)練箱，訓(xùn)練器層可調(diào)節(jié)高度至合適位置，選取兩把抓鉗和一把持針器作為本次培訓(xùn)的器械。測(cè)試人員與儀器見圖5。

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

資料顯示，目前對(duì)腹腔鏡訓(xùn)練評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)并無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[12]，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試人員實(shí)驗(yàn)前無(wú)任何腹腔鏡手術(shù)經(jīng)驗(yàn)，屬于腹腔鏡培訓(xùn)過(guò)程的學(xué)習(xí)期，因此其分析范圍定位在腹腔鏡學(xué)習(xí)技能上升期，不涉及技術(shù)成熟期階段。

圖5 測(cè)試人員與儀器

左右移環(huán)任務(wù)可以訓(xùn)練操作者的手眼協(xié)調(diào)能力和雙手配合能力。與開腹手術(shù)相比，腹腔鏡手術(shù)對(duì)手術(shù)時(shí)間要求更為嚴(yán)格，這就要求操作者需要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成操作，并且任務(wù)操作時(shí)間已被證明是一個(gè)很重要的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)之一[22]。如圖6所示，操作時(shí)間呈下降趨勢(shì)，第10次操作時(shí)間相較第1次減少32%。

圖6 操作時(shí)間對(duì)比圖

傳統(tǒng)二維腹腔鏡系統(tǒng)降低了視覺的距離感覺從而導(dǎo)致器械的移動(dòng)速度減慢。器械移動(dòng)的速度直接反應(yīng)操作者的技術(shù)熟練程度[23]。任務(wù)過(guò)程中的速度常用于評(píng)價(jià)腹腔鏡手術(shù)操作技能，器械尖端的速度更是個(gè)精確的客觀指標(biāo)。當(dāng)操作者對(duì)任務(wù)的操作過(guò)程越來(lái)越熟悉時(shí)，器械所走過(guò)的總路徑長(zhǎng)度會(huì)減少，操作時(shí)間也會(huì)變短，所以操作過(guò)程中的平均速度會(huì)減小，見圖7。通過(guò)訓(xùn)練，第10次較第1次左右手的操作平均速度分別降低45%和32%。

空閑率是指任務(wù)過(guò)程中器械無(wú)運(yùn)動(dòng)時(shí)間與操作時(shí)間的百分比。初學(xué)者與有經(jīng)驗(yàn)的操作者在操作縫合任務(wù)和更復(fù)雜的任務(wù)時(shí)，空閑率有著顯著性差異[24]。當(dāng)操作時(shí)間縮短、操作平均速度減小時(shí)，空閑率減小，見圖8，第10次比第1次降低53%。

圖7速度對(duì)比圖

Fig7Velocitycontrastfigure

圖8 空閑率對(duì)比圖

運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)度可通過(guò)器械加速度的變化率來(lái)體現(xiàn)，可精確地反映出操作者技能的熟練程度。通過(guò)訓(xùn)練，左右手平穩(wěn)度分別提高15%和19%，見圖9。

圖9 平穩(wěn)度對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)左右移環(huán)中左右手參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)右手?jǐn)?shù)據(jù)在路徑對(duì)比與速度對(duì)比中均明顯高于左手，在完成任務(wù)的過(guò)程中，右手操作占據(jù)主導(dǎo)地位。分析發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)第6次訓(xùn)練后，左右手協(xié)調(diào)能力明顯提高。任務(wù)培訓(xùn)的目標(biāo)之一就是提高培訓(xùn)者的左右手協(xié)調(diào)程度，因此，在后續(xù)的研究中可以將左右手空閑率的時(shí)間分布做比較，消除兩手同時(shí)靜止時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的影響。

通過(guò)對(duì)每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比分析可知，隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，操作者越來(lái)越熟悉實(shí)驗(yàn)任務(wù)流程，各項(xiàng)參數(shù)均隨實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加而下降，其下降趨勢(shì)與學(xué)習(xí)曲線比較相似。當(dāng)訓(xùn)練者達(dá)到一定的熟練程度之后，各項(xiàng)參數(shù)趨于平穩(wěn)，學(xué)校效率降低，通常建議訓(xùn)練者間隔一段時(shí)間之后再進(jìn)行培訓(xùn)。

4 結(jié)論與討論

腹腔鏡手術(shù)的廣泛應(yīng)用對(duì)培訓(xùn)的要求越來(lái)越高，現(xiàn)有的人力資源已經(jīng)不能滿足傳統(tǒng)的專家式培訓(xùn)評(píng)價(jià)體系，因此，本研究設(shè)計(jì)了廣泛適用于訓(xùn)練箱或虛擬現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，本系統(tǒng)自動(dòng)采集培訓(xùn)者培訓(xùn)過(guò)程中器械的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)訓(xùn)練者培訓(xùn)后及時(shí)反饋情況，減少了對(duì)專家的依賴。

本研究開發(fā)設(shè)計(jì)了MEMS加速度傳感器模塊用于采集器械的運(yùn)動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，模塊具有體積小、使用方便等特點(diǎn)；傳感器由于容易受到外部環(huán)境的影響，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)中往往夾雜有噪聲，并且噪聲的頻率和人體運(yùn)動(dòng)頻率混疊，本研究采用了卡爾曼濾波算法處理數(shù)據(jù)；并建立了軟件平臺(tái)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，可定量給出培訓(xùn)者每次訓(xùn)練后四大指標(biāo)增減率，并使用培訓(xùn)箱進(jìn)行了訓(xùn)練任務(wù)測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

本研究仍有不足之處：在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，未找到合適的專家來(lái)進(jìn)行操作，以形成以后培訓(xùn)者的對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)；本課題所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)未能完成培訓(xùn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)管理、存儲(chǔ)與對(duì)比分析。

在以后的研究中，可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于MEMS加速度傳感器模塊的三維坐標(biāo)追蹤算法并與雙目視覺追蹤系統(tǒng)配合使用，提高其測(cè)量精度；完成測(cè)量數(shù)據(jù)與PC的無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)指標(biāo)的實(shí)時(shí)計(jì)算和分析，完成對(duì)培訓(xùn)過(guò)程的實(shí)時(shí)指導(dǎo)；形成雙目數(shù)據(jù)追蹤系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)大其測(cè)量空間范圍；實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練者培訓(xùn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)與管理。