（机械电子工程专业论文）虚拟现实技术在微创手术培训机中的应用.pdf

中文摘要本文以设计和开发微创手术培训机系统为目标，根据微创手术所要求的特殊的手术技法对培训机的培训方案进行设计。通过面向对象的程序设计，采用可视化编程方法搭建了w o r l d t o o l k i t ( w t k ) 环境仿真平台，并利用3 d sm a x 和p r o e对人体器官和手术器械进行几何建模，完成了微创手术培训机系统整体设计、培训方案设计和软件开发等主要任务。首先，在详细了解了外科医生在进行微创手术时所进行的操作的基础上，根据微创手术所要求的特殊技法，设计了多个循序渐进的培训方案，为培训机的进一步开发奠定了极好的技术基础。其次，根据虚拟现实系统的特征和构成，对微创手术培训机系统进行了软件部分的设计，并根据w t k 的性能和系统整体的特征，将系统化分为数据输入模块、几何模块、图形渲染模块、场景处理模块、事件处理模块、输出模块等模块。最后，使用v c 和w t k 搭建的平台完成了对系统管理、人机界面、程序编译等功能的开发，实现了各个培训方案，使外科医生在操作手术培训机时达到了手一脑一眼的和谐统一。该研究成果的应用将有助于微创手术更快更好的推广，提高医疗科技水准，顺应现代计算机科技与医学紧密结合的大趋势。关键词：虚拟现实微创手术培训机系统w t ka b s t r a c tt l l i st h e s i sa i m sa td e s i g na n dd e v e l o p m e n to nt h em i n i m a li n v a s i v es u r g i c a ls i m u l a t o r ( m i s s ) b a s e do nt h eu n i q u es u r g i c a lt e c h n i q u ed e m a n d e db yt h em i n i m a li n v a s i v es u r g e r y , w ed e s i g ns e v e r a lt r a i n i n gs c h e m e so fm i s s b ym e a n so fo b j e c to r i e n t e dp r o g r a md e s i g na n dv i s u a l i z a t i o np r o g r a m m i n gm e t h o d s ，w ea l s od e v e l o pt h es i m u l a t i o np l a t f o r mw i t hw o r l d t o o l k i t ( w t k ) e n v i r o n m e n t ma d d i t i o n w ed e v e l o pg e o m e t r ym o d e l so fh a m a no r g a n sa n ds u r g e r ya p p a r a t u sb y3 d sm a xa n dp r o e t h em a i na c h i e v e m e n t sr e l a t e do nt h em i s ss y s t e md e s i g n i n g ，t r a i n i n gp r o g r a m sd e s i g n i n ga n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n ta r eo b t a i n e da sw e l l f i r s t l y , b a s e do nt h et o t a lc o m p r e h e n s i o no fs u r g e o n so p e r a t i o n si ns u r g e r y , w ed e s i g ns e v e r a lt r a i n i n gs c h e m e ss t e pb ys t e pa c c o r d i n gt ot h eu n i q u es u r g i c a lt e c h n i q u ed e m a n d e db ym i n i m a li n v a s i v es u r g e r y , w h i c he s t a b l i s h e ss o l i dt e c h n i c a lf o u n d a t i o nt ot h em i s sf u r t h e rd e v e l o p m e n t s e c o n d l y , w ec o m p l e t et h es o f t w a r ed e s i g n i n go fm i s si nt e n r t so ft h ec h a r a c t e r i s t i ca n ds t r u c t u r eo fv i m m lr e a l i t ys y s t e m a c c o r d i n gt ot h et r a i t so f 、v t ka n dt h ew h o l es y s t e m ，w ea l s od i v i d et h es y s t e mi n t og e o m e t r ym o d e l ，e v e n th a n d l i n gm o d e l ，s c e n eh a n d l i n gm o d e l ，d a t ai n p u tm o d e l ，o u t p u tm o d e la n df i g u r er o m a n c i n gm o d e l ，e t c l a s t l y , w er e a l i z ef u n c t i o n so fs y s t e mm a n a g e m e n t ，h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ea n dp r o g r a mc o m p i l i n go np l a t f o r md e v e l o p e db yv ca n dw t k a ss u c h ，a l lt h et r a i n i n gs c h e m e sa r ec a r r i e do u ta n dt h ec o o r d i n a t i o no fh a n d s ，t h o u g h t sa n de y e si so b t a i n e dw h e nd o c t o r su s i n gm i s s t h ea c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i sw i ub e n e f i tt h ep o p u l a r i z a t i o no fm i n i m a li n v a s i v es u r g e r ya n di m p r o v e m e n to fm e d i c a ll e v e l ，w h i c hc o n f o r m st ot h et e n d e n c yo fc o m b i n i n gm o d e mc o m p u t e rs c i e n c ew i t hm e d i c i n e k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y , m i n i m a l l yi n v a s i v es u r g e r y , s i m u l a t i o ns y s t e m ，w o r l d t o o l k i t ( w t k )i i独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘生盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：奎毽玮签字日期：2 5 年f 月侣日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解叁生盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：i 壤沸导师签名学位论文作者签名：硷矬沛导师签名签字日期：m 怕5 年f 月f 8 日签字日期：泐r 年，月，庐日天津大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论现代医学正在快速发展，外科手术也正在向“微创”化方向发展，以达到安全、省时、简化的目的。但是，医生在进行微创手术时是间接地通过屏幕来看到病灶组织并工作的，这使医生操作起来更加困难，手术中失误的风险也增加，减缓了微创手术的推广步伐。但是，随着计算机技术的飞速发展，医生们希望以一种形象、直观、自然的手段全面的、随意的使用计算机和计算机信息资源，来建立一种模拟训练系统以减少手术中的失误。建立在计算机图形图像处理、高速通信、传感器和多媒体等基础上的虚拟现实技术迎合了这种需要，它利用计算机生成与现实世界相似的虚拟环境，通过给用户提供诸如可听、可说、可见、可闻、可触等手段，使用户“亲身融入”到虚拟环境中，实现与虚拟环境进行直观自然的交互。目前，虚拟现实技术已经被应用于各种模拟训练系统，从理论上讲，这种模拟训练系统可以达到在任意复杂环境条件下，取得廉价的、近乎实物训练效果的目的。1 1 微创手术培训机概述1 1 1 微创手术的概念和发展微创外科手术( m i n i m a l l yi n v a s i v es u r g e r y ，简称m i s ) 兴起于8 0 年代，它是外科医生在病人身体上开两或三个小孔( 1 c m 左右) ，一个用于插入内窥镜，另一个或两个用于插入细长的手术工具，医生通过监视器观察插于病人体内的工具端部运动来进行外科手术。与普通打开式手术相比，m i s 能减少病人的痛苦，减小伤口感染的风险，缩短术后恢复时间，减小疤痕，节省开支。通过使用内窥镜和改进的工具，m i s 很快被应用到各种外科手术中1 1 1 1 2 1 3 1 ，主要有如下几种：腹腔镜外科，胸外科，关节外科，血管外科，骨盆镜外科 4 1 5 1 。一直以来，手术刀是外科医生治疗疾病的基本工具，它在治疗的同时也会带来新的创伤。强烈的创伤之后，患者虽然可以暂时生存，但会出现严重的并发症，甚至会危及生命，成为限制重大手术实施的“瓶颈”。创伤对生命是一种恶性刺激，它直接影响个体的生存。所以，长期以来外科医生借助手术刀，不断地为人类患有疾病的生命“制造”创伤，尔后“愈合”创伤。在去除病灶，保持疗效的前提下如何使患者的创伤更小一些，恢复更快一些，自然成为外科医生永远的追天津大学硕士学位论文第一章绪涂第一章绪论现代医学正在快速发展，外科手术也正在向“微创”化方向发展，以达到安全、省时、简化的目的。但是，医生在进行微创手术时是间接地通过屏幕米看到病灶组织并工作的，这使医生操作起来更加困难，于术中失误的风险也增加，减缓了微创手术的推广步伐。但是，随着计算机技术的飞速发展，医生们希望以一种形象、直观、自然的手段全面的、随意的使用计算机和计算机信息资源，来建立种模拟训练系统以减少于术中的失误。建立在计算机图形图像处理、高速通信、传感器和多媒体等基础上的虚拟现实技术迎合了这种需要，它利用计算机生成与现实世界相似的虚拟环境，通过给用户提供诸如町听、口j 说、可见、可闻、可触等手段，使用户“亲身融入”到虚拟环境中，实现与虚拟环境进行直观自然的交互。目前，虚拟现实技术已经被应用于各种模拟训练系统，从理论上讲，这种模拟训练系统可以达到在任意复杂环境条件下，取得廉价的、近乎实物训练效果的目的。1 1 微创手术培训机概述1 1 1 微创手术的概念和发展微创外科手术( m i n i m a l t yi n v a s i v es u r g e r y ，简称m i s ) 兴起于8 0 年代，它是外科医生在病人身体上丌两或三个小孔( 1 c m 左右) ，一个用于插入内窥镜，另一个或两个用于插入细长的手术工具，医生通过监视器观察捅于病人体内的t具端部运动来进行外科手术。与普通打开式手术相比，m i s 能减少病人的痛苦，减小伤口感染的风险，缩短术厉恢复时间，减小疤痕，节省开支。通过使用内窥镜和改进的工具，m i s 很快被应用到各种外科手术中” l 【j j ，主要有如下几种：腹腔镜外科，胸外科，关节外科，向管外科，骨盆镜外科c 4 1 1 5 1 。一直以来，手术刀是外科医生治疗疾病的基本工具，它在治疗的同时也会带来新的创伤。强烈的创伤之后，患者虽然可以暂时生存，但会出现严重的并发症，甚至会危及生命，成为限制重大手术实施的“瓶颈”。创伤对生命是一种恶性刺激，它直接影响个体的牛存。所以，长期以来外科医生借助手术刀，不断地为人类患有疾病的生命“制造”创伤，尔后“愈合”创伤。在去除病灶，保持疗效的前提下如何使患者的创伤更小一些，恢复更快一些，自然成为外科医生永远的追前提下如何使患者的创伤更小一些，恢复更快一些，自然成为外科医生永远的追天津大学硕士学位论文第一章绪论求。例如，美国约翰霍普金斯医院的外科医生w i l l i a m s h a l s t e d ，曾以手术时爱护组织、减少创伤、操作细致著称而倍受尊敬，而在中国历来则有开腹“破元气”之说，都说明人类对生命机体创伤的认识与重视。从浅显的、模糊的理论概念出发，创伤愈小，患者恢复的过程就愈短。那么，如果我们深入进行研究，就同等手术案例来比较，创伤的大小对生命健康的影响究竟有多大的差异? 北京医科大学第一医院的刘国礼教授认为，手术创伤引起的机体应激反应主要表现在：神经体液系统、免疫系统、脏器功能的恢复1 6 】。针对这三种表现进行相应的实验鉴定，结果都显示了微创外科手术引起的机体应激反应明显低于传统开腹手术【7 。因此，创伤对机体的破坏，创伤大小与生命机体的破坏程度呈正相关态势，具有明显比较差异。遵循以病人为本的原则，最大限度的减少患者体表和体内组织的创伤，减少对身体的损伤，尽最大努力追求手术的“微创”化，自然成为外科医生的信念和行动。目前欧洲的微创外科手术已经涉及以下领域：1 、血管外科，比如动脉瘤的切除：2 、心脏搭桥手术；3 、器官移植微创手术，特别是对活体器官的移植；4 、胸外科手术，比如肺叶的切除，食道的切除；5 、内分泌外科等。达到了安全、省时、简化传统手术的目的。被喻为“内镜腹腔镜手术之父”的欧洲外科学会主席，国际微创外科顶级专家艾尔弗雷德库什瑞爵士( p r o f e s s o rs i r a l f r e dc u s c h i e r i ) 曾这样说到：随着技术的进步，全球微创外科一直在发展过程中。1 _ 1 2 微创手术培训机的概念和意义手术培训机是在计算机培训系统的程序设计基础上( c o m p u t e rb a s e dt r a i n i n gs y s t e m ) ，建立虚拟人体环境( v i r t u a le n v i r o n m e n t ) 和手术导航系统( n a v i g a t i o n ) ，通过与外科医生的培训人员的交互作用( i n t e r a c t i o n ) 、实时( r e a lt i m e ) 的进行虚拟手术( v i r t u a ls u r g e r y - v s ) ，来达到培训外科手术医生的目的。其中虚拟手术是指利用各种医学影像数据，利用虚拟现实技术在计算机中建立一个模拟环境，医生借助虚拟环境中的信息通过交互进行手术计划、训练，以及再现真实手术过程的新兴学科。现代科学技术的发展越来越体现多门学科的交叉和渗透。虚拟手术作为正在发展起来的研究方向，是集医学、生物力学、机械学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机械力学、材料学、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域。其目的是：使用计算机技术( 主要是计算机图形学与虚拟现实) 来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，例如手术计划制定，手术排练演习，手天津大学硕士学位论文第一章绪论术教学，手术技能训练等。虚拟手术这个研究方向目前正在逐步形成之中，与之相关的一些研究方向主要有：医学可视化( m e d i c a lv i s u a l i z a t i o n ) ，医学增强现实( m e d i c a la u g m e n t e dr e a l i t y ) ，医用机器人，手术模拟( s u r g e r ys i m u l a t i o n ) ，图象引导手术( i m a g eg u i d e ds u r g e r y ) ，计算机辅助手术( c o m p u t e ra i d e ds u r g e r y ，c o m p u t e ra s s i s t e ds u r g e r y ) 等。我们认为使用虚拟手术( v i r t u a ls u r g e r y ) 这个名词更加能够充分体现虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 作为计算机图形学在医学治疗过程中的作用，充分体现了人机交互和真实感。国外也有称此方向为虚拟手术室( v i r t u a lo p e r a t i n gr o o m ) 或医学虚拟现实( m e d i c a lv i r m a lr e a l i t y ) 8 1 。由前面的阐述可知m i s 技术可使病人受益，但这却使外科医生操作更困难和因长时间操作而身心疲惫，也使手术中失误的风险增加。一方面内窥镜的引入迫使医生通过观察图像而不是看自己的手来工作，由此切断了手与眼的协调；传统内窥镜为二维且视场小，虽也有三维的，但其性能受制于分辨力与对比度。另一方面用于插入工具的病人体上的小孔起支点作用，这就使插入工具的端部的运动方向与外面工具手柄的相反，且约束了工具运动使自由度由6 个减为4 个。这两方面会使医生在操作中缺乏触觉与力觉感，或力感觉不准。这些使得采用m i s技术的医生很难进行复杂手术，从而使m i s 技术的进一步发展受阻 9 】。然而，有了微创手术培训机就使得一切都不同了。微创手术培训机可以让外科医生在做一次比较复杂的微创手术之前，先用模拟训练系统进行练习，然后将练习的成果应用于实际手术之中。他们可以对各种各样的病历进行演练甚至可以使用根据某个病人的特点而形成的真实计算机三维人体模型。这种事先的演练为医生给病人进行成功的手术创造了可能。而且，通过这种培训机，外科医生就可以对实际的微创手术做出相应的规划，因而使得他可以预料到难以预料到的某些复杂性。同时，这种培训机还可以为那些刚刚开始学习这种微创手术的医生或医学院的学生提供更多的机会去演练以前从未做过的手术。而且完成一次虚拟手术后，外科医生还可以回放刚刚进行的那个虚拟手术查看有哪些地方做得不够好，或是按一下复位按钮重复进行同一个手术。如果虚拟病人死了还可以让他马上起死回生，以便使外科医生重头开始，重复练习，积累经验，从而增加实际手术的成功率。因此，用这种培训机进行虚拟手术的主要用途有：1 、训练医生熟练的使用相关的手术器械，掌握各种手术器械的使用方法和使用环境。2 、训练医生进行必要的、基本的手术技法，使其充分体验在二维平面上感知三维深度，为进行成功的手术打下坚实基础。天津大学硕士学位论文第一章绪论3 、利用图像数据，帮助医生合理、定量地制定手术方案，并进行术前演练。对于选择最佳手术路径、减小手术损伤、减少对临近组织损害、执行复杂手术和提高手术成功率等具有十分重要的意义。4 、医生可在培训机系统上观察专家手术过程，也可重复实习。由于培训机系统可为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的训练环境和i 临场感，所以训练过程与真实情况几乎一致。在虚拟的手术环境中进行手术，不会发生严重的意外，能够提高医生的协作能力。5 、其他作用：保护医生、降低手术费用、改善病人的愈后等。从此，就可以看出微创手术培训机无论对于已经在岗的外科医生，还是对于即将上岗的医学院的学生，或是对于病人本身都有着极其重大的意义。1 2 虚拟现实概述1 2 1 虚拟现实概念和特征虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ；又译作灵境、幻真) 是近年来出现的高新技术，是一种可以创建和体验虚拟世界( v i r t u a lw o r l d ) 的计算机系统。虚拟世界是全体虚拟环境( v i r t u a le n v i r o n m e n t ) 或给定仿真对象的全体。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境的虚拟现实系统，需要包括计算机图形学、图像处理与模式识别、智能接口技术、人工智能技术、多传感器技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术和高性能计算机系统等等，而所有这些技术都是信息技术的分支。【10 j从本质上说，虚拟现实就是一种先进的计算机用户接口，它通过给用户同时提供诸如视、听、触等各种直观而又自然的实时感知交互手段，最大限度的方便用户操作，从而减轻用户的负担、提高整个系统的工作效率。怎样才能从技术的角度去说明上述这种适应于人的信息环境的特点呢?b u r d e ag 在e l e c t r o 9 3i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e 上所发表的“v i r t u a lr e a l i t ys y s t e m sa p p l i c a t i o n s ”一文中，曾提出了一个“虚拟现实技术的三角形”，他较简洁的说明了虚拟现实系统的基本特征，即：三个“i ”，它们是i m m e r s i o n i n t e r a c t i o n i m a g i n a t i o n ( 沉浸一交互一构想) 。这三个“i ”就是虚拟现实系统的三个基本特征，也正是强调了在虚拟现实系统中的人的主导作用。总之，在未来的虚拟现实系统中，人们的目的是使这个由计算机及其他传感器所组成的信息处理系统去尽量“满足”人的需要，而不是强迫人去“凑合”那些不很亲切的计算机系统。天津大学硕士学位论文第一章绪论1 2 2 虚拟现实系统的构成和实现技术构建一个虚拟现实系统的基本手段和目标就是利用并集成高性能的计算机软硬件及各类先进传感器，去创建一个使参与者处于一个具有身临其境的沉浸感、具有完善的交互作用能力、能帮助和启发构思的信息环境。为了构建这样一个虚拟现实系统，在硬件方面需要有以下几类设备的支持：跟踪系统，触觉系统，音频系统，图像生成和显示系统，高性能计算处理系统。在软件方面，除一般所需的软件支撑环境外，主要是提供一个产生虚拟环境的工具集或产生虚拟环境的“外壳”。它至少具有以下功能：能够接受各种高性能传感器的信息，如头盔的跟踪信息；能生成立体的显示图形；能把各种数据库( 如物体形象数据库等) 、各种c a d 软件进行调用和互联的集成环境。根据虚拟现实系统的构成，可将其实现的关键技术概括为以下几个方面：( 1 ) 动态环境建模技术：获取实际环境的三维数据，并根据应用的需要，利用获取的三维数据建立相应的虚拟环境模型。( 2 ) 实时三维图形生成技术：为了达到实时的目的，至少要保证图形的刷新率不低于1 5 帧秒，最好是高于3 0 帧秒【1 1 l ，在不降低图形的质量和复杂度的前提下，如何提高刷新频率将是该技术的研究内容。( 3 ) 立体显示和传感技术。( 4 ) 应用系统开发工具。( 5 ) 系统集成技术：集成技术包括信息的同步技术、模型的标定技术、数据转换技术、数据管理模型、识别和合成技术等等。i t 2 1因此，实时三维图形显示和虚拟现实交互技术就成为虚拟现实系统的核心技术，高性能的c p u 和图形加速部件等成为虚拟现实系统的基本硬件，而三维图形制作、数据压缩、数据融合等则成为虚拟现实系统的基本软件。1 3 虚拟现实的发展状况和手术培训机的国内外动态1 3 1 国内外虚拟现实的研究状况美国是v r 技术的发源地。美国v r 研究技术的水平基本上就代表国际v r发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面 1 3 1o 美国宇航局( n a s a ) 的a m e s 实验室完善了h m d ；并将v p l 的数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。n a s a 研究的重点放在对空间站操纵的实时仿真上。乔治梅森大学研制出一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统。e t 本主要致力于建立大规模v r 知识库的研究。另外在虚拟现天津大学硕士学位论文第一章绪论实的游戏方面的研究也做了很多工作。英国在v r 开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备( 包括触觉反馈) 设计和应用研究方面是领先的。和一些发达国家相比，我国v r 技术还有一定的差距，在紧跟国际新技术的同时，国内一些重点院校，已经积极投入到了这一领域的研究工作。浙江大学c a d & c g 国家重点实验室开发出了一套桌面型虚拟建筑环境实时漫游系统，该系统采用了层面迭加的绘制技术和预消隐技术，实现了立体视觉，同时还提供了方便的交互工具，使整个系统的实时性和画面的真实感都达到了较高的水平。另外，他们还研制出了在虚拟环境中一种新的快速漫游算法和一种递进网格的快速生成算法。西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于j p e g 标准压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度，并且已经通过实验结果证明了这种方案的优越性。中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中体式图像对算法回显及软件接口。他们在硬件开发上已经完成了l c d 红外立体眼镜，并且已经实现商业化。另外，北京航空航天大学计算机系、哈尔滨工业大学计算机系、清华大学计算机科学和技术系、北方工业大学c a d 研究中心【1 4 】、上海交通大学图像处理模式识别研究所等单位也进行了一些研究工作和尝试。1 3 2 手术培训机的国内外研究动态目前，国内的北京黎明公司开发了“虚拟鼻腔镜手术仿真训练系统”：该系统可以用于鼻腔、鼻窦解剖的教学及鼻内窥镜手术的初步培训工作，曾在解放军总医院耳鼻咽喉科教学训练中进行了试应用，并于2 0 0 1 年1 2 月2 2 日通过了系统测试，2 5 日通过了由总后勤部司令部组织的技术鉴定。而现在的国外市场上已经出现了一些相关的手术培训系统：( 1 ) 、x i t a c t 系纠”1 ( 见图1 1 ：该系统已经由瑞士科技学会研究调查过其稳定性，并在2 0 0 1 年6 月成功投放市场，对部分内脏器官手术过程进行了仿真，曾在2 0 0 0 年1 1 月获得了欧洲i s t 的最高荣誉奖。但其市场售价较高为$ 1 5 0 ，0 0 0 。( 2 ) 、l a p s i m 系统( 见图1 1 ) ：产于瑞典哥德堡，通过哥德堡大学的稳定性检测后在2 0 0 1 年投放市场，可对简单物体及组织的操作进行仿真，它有较好的互动性，其市场售价为$ 2 7 ，0 0 0 。( 3 ) 、m i s t - v r ( m i n i m a l l yi n v a s i v es u r g i c a lt r a i n e r v i r t u a lr e a l i t y ) 系统“叫：价值$ 3 0 ，0 0 0 ，可用于锻炼手眼协调能力和缝合能力，有实时性和三维立体感，天津大学硕士学位论文第一章绪论但没有力反馈功能。图1 - 1l a p s i m 系统和x i t a c t 系统还有，r e a c h i n 系统17 1 、s u r g s i m 系统和s t 系纠1 8 1 等。这些国外的培训系统，虽然已经开发出来且已经证明可用，但是要不价格偏高，要不功能不全，对于国内的大部分用户来说有一定局限性，因此需要开发一套适于我国国情的培训机。1 4 课题主要研究内容本课题着重研究微创手术培训机中系统的构成、软件建模的划分及培训方案的设计和实现，来达到为微创手术的医师培训提供一种具有沉浸感的教学环境的目的。具体研究开发内容如下：提出一种基于微机的实用微创手术培训机的软件系统结构。详细介绍本系统的软件环境v c 和虚拟现实平台w t k 的工作原理、虚拟环境的合成、和场景图的绘制。设计本系统软件部分的总体结构和模块划分，分为几何模块、图形渲染模块、场景处理模块、事件处理模块、数据输入模块、输出模块等。依据微创手术中使用的手术器械和人体的部分器官图，利用目前世界上最为先进的三维模型制作工具3 d sm a x 和p r o e 等，制作逼真的脏器和各种手术器械的几何模型。根据微创手术的真实的手术过程和技术要求，提出本系统的培训方案，并根据各培训方案设计相应的程序框图，编写程序，使系统得以实现。天津大学硕士学位论文第二章微创手术培训机的培训方案设计第二章微创手术培训机的培训方案设计微创手术虽然已经在诸多外科领域得到了逐步的开展和尝试，但大部分仍处在临床应用初期，尚不成熟，有待进一步深入的研究。相对而言，腹腔镜胆囊切除、胆管探查是我国及世界上微创外科领域开展最多的手术，应用最广泛，手术效果也最显著。因此，本课题以微创胆道外科为研究的主要对象。针对腹腔镜胆囊切除手术进行微创手术培训机的初步研究。2 1 真实的微创手术的过程就微型腹腔镜胆囊切除术而言，有多种手术应用方法。下面仅介绍一种目前应用相对比较广泛、简便的手术方法【6 】，以便能够了解真正的手术过程，进而开发出适合医生使用的微创手术培训机。手术过程如下：患者平卧于手术台，主刀医师位于患者左侧，在脐孔下做一l o m m 的戳口，提起脐周前腹壁，插入气腹针常规造气腹。腹内压达到额定设置的1 6 2 k p a 后，拔出气腹针，插入l o m m 穿刺套管，套管内置入l o m m 传统腹腔镜。在剑突下做一5 m m 切口，置入5 r r a n 直径的穿刺套管。同时在右肋弓下和左下腹各做一个2 m m 戳孔，分别置入直径2 m m 的穿刺套管( 其穿刺点可参见示意图2 1 ) 。选用剑突下戳孔做主操作孔，置入电钩及钛夹钳等操作器械，进一步探查胆囊，注意观察胆囊周围有无粘连，并充分暴露c a l o t 三角，进一步用分离钳解剖出胆囊管和胆管动脉。之后，在剑突下用5 m m 钛夹置以双道钛夹夹闭后剪断，胆囊从脐孔处取出。手术时间短，安全性较高，术后可不缝合或仅需缝合一针。术后患者恢复快，痛苦小，住院天数平均仅2 3 天。图2 - 1 穿刺点的参考位置但是由于微型腹腔镜胆囊切除术操作比较困难，其中转剖腹率或中转传统腹天津大学硕士学位论文第二章微创手术培训机的培训方案设计腔镜胆囊切除率相对有一定比例存在i l 。1 9 9 8 年我国2 2 2 个医院对于此项的调查结果是2 1 【2 0 】，虽然现在比例有所下降，但这一比例的存在无论对于患者，还是医生都是不利的。而这种由于操作困难或是不熟练所带来的中转剖腹率是可以通过术前模拟训练来改善或是消除的。因此，微创手术培训机的研究与开发是非常必要的。如果使用了培训机在术前对医师进行一定的技能训练，就可以避免诸多手术并发症、减少因技术不熟练而带来的手术时间的拖延、降低中转剖腹率和中转传统腹腔镜胆囊切除率。2 2 微创手术的技法要求根据微型腹腔镜胆囊切除术的手术过程，所要求的手术技法有气腹法、套管的放置方法、手术视野的显露、离断胆囊管和胆囊动脉、分离胆囊、取出胆囊和结石、放置引流管等。由于本课题研究的微创手术培训机是主要以培训主刀医师的手术技法为主的，所以这里只讨论主刀医师所需掌握的微创手术的技法，即是：离断胆囊管和胆囊动脉、分离胆囊、取出胆囊和结石。2 2 1 离断胆囊管和胆囊动脉首先，分离与胆囊相连的脏器和组织，然后才能进一步分离胆囊管和动脉。这里有时易于钝性分离，有时需用剪刀或分离钳先夹主要分离的组织，电凝切断后再行分离。将胆囊周围粘连分离到胆囊颈与胆囊管相接处，然后继续分离胆囊蒂。胆囊蒂的分离：胆囊蒂是由腹膜包绕的胆囊管、胆囊动脉、胆囊淋巴管和神经所组成。胆囊管在胆囊蒂内成屈曲状态。要分离胆囊蒂内的组织首先要打开包绕它们的腹膜和分离沉淀的脂肪组织。用钩状电凝器或电凝铲先将胆囊颈部的腹膜电凝切开一个小口，然后用钝性分离扩大切口和分离范围。在撕开腹膜后用钩状电刀沿胆囊蒂后叶腹膜的破口将胆囊被膜距离肝0 5 c m 向胆囊底部逐渐切开。在向胆管侧分离时不宜带电操作，以免电伤胆管。分透胆囊管后方的组织后，用钩状电刀或分离钳扩大开口。分离完胆囊管后应检查其内有无结石，如无结石，可在胆管侧上两个钛夹，在上钛夹时注意不要夹住胆总管；胆囊颈侧上一个钛夹，以防胆囊内胆汁溢出。在胆囊颈侧钛夹和胆管侧钛夹之间用剪刀剪断胆囊管。然后，进行胆囊动脉的分离。最常见的胆囊动脉位置是主干在肝总管的后方进入c a l o t 三角，沿着胆囊管走向胆囊颈部，在胆囊颈外分成前后两支，然后进天津大学硕士学位论文第二章微创手术培训机的培训方案设计入胆囊。用剪刀或钩状电刀沿胆囊颈部的上缘切开上叶的腹膜，并用钝性分离将胆囊动脉游离。与其近侧和远侧各上一个钛家，在两夹之间用剪刀剪断。处理胆囊动脉和处理胆囊管一样，夹闭要完全，盲目夹闭可能夹闭不完全而导致凝断时出血。2 2 2 分离胆囊离断胆囊管和动脉之后，使用抓钳夹住胆囊向不同方向牵拉，使胆囊和肝脏之间暴露良好，电凝切开胆囊两侧的被膜，随着胆囊侧被膜的切开，胆囊被膜下的血管也被凝固切断。在切开两边被膜时要注意：肝脏表面应留有0 5 c m 被膜，这样可以止血完全；若靠近胆囊床扯下，则创面多有渗血。进行这样的分离最好是用钩状电凝器的钩端贴近胆囊壁进行，在挑起分离的组织后通电凝断，因为是挑起后凝断，不会电伤胆囊壁，所以可把大部分结缔组织自胆囊壁分离。在分离的过程中可以酣隋使用钩端或钩背。2 2 3 取出胆囊和结石将胆囊自胆囊床分离之后，如果胆囊完整则可先将其放在肝侧，完成胆囊床和手术野止血以及手术野和肝周的清洗之后，在腹腔镜的监视下用胆囊抓钳夹住胆囊管，并轻柔的将其拉入套管，连同套管一并拉出腹外。用力拉则胆囊会滑脱。2 3 设计的几种培训方案根据以上阐述的手术过程和关键的手术技法，我们可以了解到医师要完成的基本动作就是：准确的认知物体。能够分辨相似的血管，内脏等。准确的使用手术工具到达物体，同时并不伤害物体。分离物体。使用剪刀剪断物体间的连带，或用分离钳、钩状电刀、电凝铲等电凝切断，或用剥离刷，或是用钛夹剪断，或是直接钝性分离。拾取物体。例如使用各种工具钳来抓取物体，有一定力度但不会将物体夹碎。移动物体。例如移动手术工具，或是分离下来的内脏等。而且，培训医师应该由简单到复杂，所以根据上述的基本动作的要求，制定了一个训练计划表，见下表2 1 。按照此表进度，分别设计了几套方案来匹配表中的训练步骤，以达到训练上述基本动作和相应手术的目的。1 0天津大学硕士学位论文第二章微刨手术培训机的培训方案设计表2 1 训练计划表步骤训练目的训练方式方案使医师在三维的虚拟环境中能够1准确认知物体，并能用手术工具到在给定的环境中指定某物体，让医方案一师使用手术工具去碰撞该物体。达物体，训练深度的感觉和操作。使医师在三维的虚拟环境中能够在给定的环境中指定某物体，让医2准确拾取、移动物体，训练抓取类师使用抓取类工具去拾取、移动该方案二手术工具的熟练操作。物体到一个指定的具体位置。使医师在三维的虚拟环境中能够在给定的环境中指定物体上的某3准确剪切、分离物体，训练剪切类一位置，让医师使用剪切类工具在方案三手术工具的熟练操作。该位置上剪断或是切断物体。训练医师在两手的相互配合之下指定某个物体，让医师同时使用左4右手的手术器械对其进行移动、剪方案四进行相关的动作。切等相关动作。绘制出人体胆囊、肝脏及其周边部训练医师进行胆囊切除手术全过位的仿真环境，提供各种手术器械5方案五程的术前演练。模型供医师选用，使其进行术前演练。方案一：碰撞指定物体。在虚拟环境中放入一些物体，同时也放入一些参考物体，并将这些物体或物体的各部分都赋予各种颜色( 除了红色) ，指定某些物体或是物体的一部分，要求医师使用手术工具去碰撞，当医师碰到指定的物体或部分时，物体或部分改变颜色，变为红色。如果医师碰到的不是指定的物体或部分，则系统会提出警告，以提醒医师失误在哪里。在这个方案里，可根据简单到复杂的方式，将训练分成几个等级，来逐步训练医师对深度的感觉和操作。这几个等级可以通过改变指定物体或指定物体上的某个特定部分的形状、大小来实现。在熟练了该方案的训练技法后，就可以进行方案二的训练了。方案二：在指定位置剪断或是切断物体。天津大学硕士学位论文第二章微创手术培训机的培训方案设计在能够熟练的碰撞到指定物体后，这一训练就会变得相对简单些。因为剪切物体和碰撞物体仅是使用工具上的不同。这一方案主要是训练医师对剪切类手术工具的熟练使用。同样，在虚拟环境中载入一些细管类物体，并将这些物体或物体的各部分都赋予各种颜色( 除了红色) ，指定某些物体或是物体的一部分，要求医师使用手术工具去剪切，当医师碰到指定的物体或部分时，物体或部分改变颜色，变为红色，表明医师可以对其进行剪切了。如果医师碰到的不是指定的物体或部分，则系统会提出警告，以提醒医师失误在哪里。如果医师在可以剪切时没有进行剪切动作，并离开了指定的物体或部分( 恢复为原来的颜色) ，则系统也会提出警告。同样，这里也可根据简单到复杂的方式，将训l 练分成几个等级，来逐步训练医师对手术工具操作的掌握情况。这几个等级可以通过改变指定物体或指定物体上的某个特定部分的形状、大小来实现。方案三：拾取物体，并移动到指定位置。同样的，在虚拟环境中载入一些物体，并将这些物体都赋予各种颜色( 除了红色) ，要求医师使用拾取类工具去拾取这些物体，并将它们移动到指定的位置上去。当医师用工具拾起这些物体时，物体改变颜色，变成红色，来提醒医师已经拾起了该物体，可以将它移动到指定位置上去了。当医师将它们移动到指定位置后，通过工具放下这些物体时，物体就会恢复为原来的颜色，来提醒医师已经将它放下了。如果医师并没有将物体移动到指定位置，那么，在医师放下物体的同时，系统会提出警告，以提醒医师并没有将物体放到指定位置。同样的，在这个方案里，仍可根据简单到复杂的方式，将训练分成几个等级，来逐步训练医师对拾取和移动的操作。这几个等级可以通过改变指定物体放置位置的形状、大小来实现。比如说：简单的，可以让医师将物体都放到一个较大的盒子里；稍微复杂些的，可以让医师将物体由大到小叠加起来；再复杂些，就可以让医师将物体放到与它形状大小均相同的框框里。还可以将被移动的物体放在某个较大物体的后面，先使这个较大物体透明化让医师看清楚被移动物体的位置，然后恢复较大物体的原貌，让医师将被移动的物体从较大物体的后面移动到前面来，以训练医师的位置判断能力。因为在真正的手术环境中，医生经常是不能完全看到某些器官的，需要靠医生对人体的了解来判断这些器官的具体位置。方案四：双手的协调配合，进行相关动作。同样的，在虚拟环境中载入一些物体，要求医师双手使用手术器械，通过把某个物体从一个手术器械中递到另一个手术器械中，或是一手拿着一个物体、另一只手使用手术器械去剪切该物体，或是用两个手分别拿着不同的物体将它们落天津大学硕士学位论文第二章微创手术培训机的培训方案设计在一起，来达n _ j i i 练医师双手协调的目的。方案五：进行术前演练。绘制胆囊、肝脏、各种手术器械的模型，并将胆囊和肝脏等器官按照人体位置载入虚拟环境中，构造出虚拟人体环境，使医师可以自主的选择手术器械，综合上面的训练技法，来进行胆囊切除手术的全过程的仿真训练。如果手术工具碰到了不该碰的器官，或是剪断了不该剪的血管，或是剪断的位置不当，或是移动的位置不当，系统都会提出警告，以提醒医师有哪些失误。天津大学硕士学位论文第三章微创手术培训机系统的开发环境第三章微创手术培训机系统的开发环境为了设计一个友好的和实用的虚拟环境系统，首先就要确定其设计准则和指导性策略：所设计的系统应该是开放的。即是指所设计的系统能够方便的在绝大多数硬件平台上运行，能够吸收任何新的软件系统和硬件设备成为自己的组成部分，能够方便的在网络环境上运行。所设计的系统应该是面向对象的。虚拟环境系统中的软件子系统和传感设备种类繁多，而且新的设备不断出现，新的应用要求也不断出现，因此必须采用面向对象技术，将功能块和功能设备全部利用面向对象技术进行描述和管理，使其服从模块化，使各模块较为独立的为系统服务。所选择的部件或子系统应该是有生命力的。在灵境的商品化领域，特别是虚拟环境中的传感设备和应用软件方面，绝大多数的公司都是规模较小的，因而如何判断它们的生命力是一个很困难的问题。因此必须进行充分的调查后再做出选择，好在现在每年都有2 3 次v r 的国际会议，有一些展览和一些专门的杂志介绍此类消息。另外，还可以通过i n t e m e t 查询有关信息。用户的安全和健康放在第一位。与其它的计算机应用系统不同，虚拟环境系统使用生成的视景和音响等来产生虚拟环境，由于我们对生成的环境、对人的健康到底会有什么样的影响和副作用尚不十分清楚，所以在设计和b 1 入某些设备时一定要首先考虑可靠性，要仔细计算或调查对于用户可能带来的任何影响。而根据应用的要求，虚拟环境系统可以设计成配带型或非配带型【2 l 】。配带型是用封闭的视景和音响系统将用户的视听觉与外界隔离，使用户完全置于计算机生成环境之中。非配带型有时也称为桌上型，其视景是通过计算机的屏幕，或电视屏幕，或投影屏幕来提示给用户的。非配带型的优点是用户比较自由，成本较低。因此，根据以上设计准则、虚拟现实系统的相关情况和进行微创手术时的手术环境和手术特点要求，将微创手术培训机系统设计为非配带型的虚拟环境系统。以下将从培训机的人机接口系统、软件、硬件等几个方面进行具体的讨论。3 1 培训机的人机接口系统的构成在理想的情况下，培训机系统应当是多传感器构成的、人机交互方便的综合集成系统，该系统所产生的图像的分辨率足够高，图像十分丰富和自然( 主要是天津大学硕士学位论文第三章微创手术培训机系统的开发环境指图像的色彩和运动图像的连续及实时显示) ，系统集成不会产生延迟，色彩和立体感足够好，力感足够细微，用户使用该系统不会轻易感到疲劳，系统中传感器系统具有多个自由度，延迟时间足够短。一个理想的微创手术培训机的人机交互系统应该包括( 参见图3 1 ) ：图3 - 1 理想的微创手术