一種具有普適性的顳骨解剖手術(shù)模擬器

一種具有普適性的顳骨解剖手術(shù)模擬器

眾所周知，顱骨的空間結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征與面神經(jīng)、中、后顱神經(jīng)和頸部動靜脈密切相關(guān)。為了安全有效地施行手術(shù)和不斷提高手術(shù)技能,耳外科醫(yī)生必須熟知正常顳骨內(nèi)部的解剖結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系,并且要在真實的解剖環(huán)境中進行手術(shù)操作模擬練習(xí)。人類顳骨標(biāo)本無疑是解剖手術(shù)訓(xùn)練最好的模型,但由于各種原因,目前在全世界范圍內(nèi)可用于該目的的人類顳骨資源十分有限,遠不能滿足耳外科教學(xué)與訓(xùn)練的需求,許多耳科醫(yī)師也不能參加實體顳骨的解剖與手術(shù)訓(xùn)練。隨著數(shù)字成像技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進步,近年來世界各國相繼出現(xiàn)了一些計算機虛擬的交互式顳骨模型,為顳骨解剖教學(xué)與手術(shù)訓(xùn)練提供了新的輔助工具。但是,由于這類模型大多是以臨床CT或者MR影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立起來的,它們普遍存在某些不足,例如,除了組織缺乏自然的色彩和紋理、不能分辨軟組織成份之外,由臨床影像重建而得的三維影像分辨率平均僅8～25體素/mm3,最高不超過50體素/mm3,因此,圖像質(zhì)量較差;此外,這類模擬器軟件的使用受制于苛刻的條件,而且還必須配置昂貴的硬件,如:整合有觸覺交互設(shè)備的模擬器平臺、高級立體目鏡、腳踏開關(guān)、鏡像投射屏甚至特制計算機等,才能進行模擬手術(shù)操作;這些缺陷顯然限制了這類虛擬模型在顳骨手術(shù)訓(xùn)練中的廣泛應(yīng)用。哥本哈根大學(xué)Rigs醫(yī)院的Sorensen教授和奧爾胡斯Alexandra研究所的Mikkelsen工程師等于近年設(shè)計開發(fā)出一種新穎的顳骨解剖手術(shù)模擬器,其主要研發(fā)方法和步驟為:首先用一位85歲女性新鮮尸體的正常顳骨標(biāo)本,在CT掃描后作連續(xù)冰凍切片,用單張拍攝像機記錄數(shù)字圖像,經(jīng)過色彩校正、微分裁剪等處理后對所有的圖像重新取樣,分別儲存為JPEG文件和相應(yīng)的三維圖像,由此獲得整套高質(zhì)量的人類顳骨斷層數(shù)字影像,即可視耳數(shù)字影像庫(thevisibleeardigitalimagelibrary);在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用計算機相關(guān)技術(shù)將該影像庫轉(zhuǎn)換成為具有自然色彩和高分辨率(可達125體素/mm3)的平面和立體仿真影像;最后再借助高級顯卡(如GeForce8800GTX)功能,在標(biāo)準(zhǔn)雙核個人計算機上對該影像庫實現(xiàn)可視化和人庫(人機)交互操作,制成“可視耳模擬器”(thevisibleearsimulator,VES),即VES軟件。該項目由丹麥奧迪康科學(xué)研究基金會資助開發(fā),早在2008年就已正式推出了第一版軟件。目前全球用戶都可從國際互聯(lián)網(wǎng)上免費下載、安裝、使用和不定期升級VES軟件,而且使用該軟件要求的計算機特殊外部設(shè)備(如觸力交互設(shè)備)的價格明顯低于其它同類模擬系統(tǒng),因此便于全球廣泛傳播和使用。自主頁下載VES軟件(64bit觸覺版),并認(rèn)真閱讀其使用指南。按照使用指南的說明,在配置符合要求的個人計算機上安裝、運行VES軟件,同時安裝、連接、校準(zhǔn)PHAN-TOM(R)OmniTM觸力交互設(shè)備(美國SensAble公司),然后逐一熟悉軟件操作程序和各種設(shè)置的功能意義與參數(shù)調(diào)整方法。按需要調(diào)整渲染圖像的某些視覺設(shè)置(visualsetting)的參數(shù),如骨透明度(transparency)與不透明度(opacity)值等,配合或單獨使用切面位置(clipplaneposition)選項,透視觀察或斷層查看顳骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其關(guān)系(圖1、2),為解剖手術(shù)練習(xí)作準(zhǔn)備。按照使用指南導(dǎo)引的步驟反復(fù)進行以下練習(xí)。在觸覺模式(hapticmode)下設(shè)置和選定虛擬電鉆后,以PHANTOM(R)OmniTM設(shè)備控制鉆頭進行操作。選用系統(tǒng)整合的輔導(dǎo)員(tutor)功能,按其分步操作的文字、圖像和顏色提示,或者參照自YouTube網(wǎng)站下載的整套規(guī)范操作視頻(熟練后不需再使用這些輔導(dǎo)選項),逐步、系統(tǒng)地進行顳骨解剖練習(xí),如:乳突氣房切除、鼓竇上鼓室切開、乙狀竇及中后顱窩腦膜輪廓化、面神經(jīng)定位標(biāo)志識別、面神經(jīng)全程輪廓化、面隱窩切開、圓窗龕及鼓岬與鼓階關(guān)系探查、頸靜脈球暴露、半規(guī)管藍線化及切除、經(jīng)迷路內(nèi)聽道開放等。使用tutor時同時啟用其中的督查評估(evaluation)功能對每一步操作的工作量和重要結(jié)構(gòu)的損傷情況進行實時統(tǒng)計和量化評價。在解剖練習(xí)的基礎(chǔ)上,模擬各種常用的耳手術(shù)(徑路),如:單純或擴大、關(guān)閉或開放式乳突手術(shù)、Bondy手術(shù)、鼓室成形術(shù)聯(lián)合徑路的改良術(shù)式、面神經(jīng)探查、內(nèi)淋巴囊手術(shù)徑路、耳硬化癥手術(shù)徑路、耳蝸植入手術(shù)徑路、后鼓室切開及耳蝸切開、小腦腦橋角手術(shù)的經(jīng)迷路徑路、經(jīng)外耳道上鼓室鼓竇切開手術(shù)等(圖3～8)。術(shù)中操作涉及面神經(jīng)、大血管、內(nèi)耳和腦膜等結(jié)構(gòu)時,配合使用可視導(dǎo)航(調(diào)整visualsettings參數(shù))、斷層查看(調(diào)節(jié)clippingplaneposition)、自動警示(showwarning)以及撤銷操作(undodrilling)等功能,預(yù)覽重要結(jié)構(gòu)的位置與行徑、預(yù)測鉆磨結(jié)果、糾正不當(dāng)操作,以練習(xí)規(guī)范、正確的顳骨鉆磨方法,避免重要結(jié)構(gòu)損傷。練習(xí)時隨時切換至立體影像(togglestereographics)模式并佩戴紅藍雙色立體眼鏡,及時了解術(shù)野解剖結(jié)構(gòu)的立體空間關(guān)系,以便調(diào)整和優(yōu)化手術(shù)操作。此外,術(shù)中還可隨時使用系統(tǒng)的幀取樣(framegrabbing)功能和FRAPS軟件,保存有意義的屏幕截圖和操作視頻,以備復(fù)習(xí)和進一步研討。為了解VES在顳骨解剖虛擬訓(xùn)練中的實際應(yīng)用效果,同濟醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科近期操作、體驗了該模擬器的可視化和人機交互兩大功能,發(fā)現(xiàn)VES渲染的二維和三維影像色彩自然柔和,圖中結(jié)構(gòu)高度保真且清晰可辨,立體感極強;虛擬電鉆觸力反饋生動流暢,骨質(zhì)鉆磨操作高度仿真;借助觸力交互設(shè)備控制的虛擬工具,可以很順利地進行顳骨解剖和常規(guī)顳骨手術(shù)(徑路)項目的練習(xí),在立體模式下的手術(shù)過程猶如實體解剖,有身臨其境之感。作為一種虛擬的解剖手術(shù)模擬系統(tǒng),VES可在一定程度上補充和完善實體顳骨解剖的作用,其具有以下特點:(1)系統(tǒng)軟件方便易得,可隨時隨地從國際互聯(lián)網(wǎng)免費下載、安裝及運行。近期本文作者已經(jīng)完成VES軟件的漢化和VES使用指南的漢譯,更方便了廣大中文用戶的使用;(2)使用不受場地、時間和次數(shù)限制,在辦公室或家庭任一具備必要配置的個人計算機上都可以無限次反復(fù)使用,無需參加特定訓(xùn)練課程,或者在特定實驗室進行“一次性”顳骨標(biāo)本解剖;(3)無需電鉆和顯微鏡等昂貴設(shè)備;(4)應(yīng)用系統(tǒng)的可視化功能,尤其在立體影像模式下,可以在任意基線的任意層面或者從任意角度對顳骨在體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行透視和剖面觀察,有助于全方位了解其空間關(guān)系;(5)術(shù)中如遇虛擬鉆頭接觸或損傷重要結(jié)構(gòu),系統(tǒng)有自動警示功能,而且術(shù)者還可以隨時利用可視導(dǎo)航或斷層查看等功能,預(yù)覽重要結(jié)構(gòu)和評估鉆磨結(jié)果,以糾正不當(dāng)操作,避免重要結(jié)構(gòu)的損傷,有助于受訓(xùn)者培養(yǎng)良好的操作習(xí)慣和提高關(guān)鍵操作的準(zhǔn)確性;(6)系統(tǒng)配套的全套規(guī)范操作錄像(可從Youtube或者Youku網(wǎng)站下載)和整合的圖文導(dǎo)師模塊可以引導(dǎo)初學(xué)者逐步練習(xí)規(guī)范的乳突切除及輪廓化手術(shù),還可以對術(shù)者每一步操作的完成時間、磨骨容積、撤銷操作的時長以及發(fā)生重要結(jié)構(gòu)損傷的次數(shù)等進行實時統(tǒng)計和量化評價,有利于改進和完善手術(shù)操作。保存同一術(shù)者每次手術(shù)的評價數(shù)據(jù)用作前后比較,可以了解該受訓(xùn)者顳骨鉆磨操作技能的進步和改善情況;(7)隨時保存的高質(zhì)量屏幕截圖和操作視頻用于復(fù)習(xí)和討論,有助于進一步夯實解剖基礎(chǔ)和鞏固訓(xùn)練效果?？傊?丹麥VES具有卓越的可視化和人機交互性能,是一種新穎的虛擬現(xiàn)實的顳骨解剖模擬系統(tǒng)。它既能高保真地再現(xiàn)外科解剖環(huán)境,可被用作高仿真的解剖手術(shù)模型,又能對手術(shù)操作進行指引、導(dǎo)航、警示、糾錯和評價。使用VES進行虛擬訓(xùn)練,可以獲得與實體顳骨解剖相似的效果,既可以鞏固顳骨外科解剖學(xué)知識,加深對臨床耳手術(shù)原理和徑路的理解,也有助于對顳骨CT影像的準(zhǔn)確解讀,同時又可以練習(xí)掌握正確手術(shù)方法、改進骨鉆磨技術(shù)和避免重要結(jié)構(gòu)損傷,進而為臨