用于臨床技能培養(yǎng)的口腔顱頜面數(shù)字化虛擬手術(shù)平臺(tái)的建立與應(yīng)用

張楚茜 回文宇 林艷萍 吳錦陽(yáng) 陳士行 楊成帥 劉念 張勇 張?jiān)娎?/p>

口腔顱頜面區(qū)域解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手術(shù)操作要求精準(zhǔn)、微創(chuàng)，需要進(jìn)行大量的學(xué)習(xí)及操作訓(xùn)練[1]。傳統(tǒng)的手術(shù)教學(xué)主要通過(guò)書本或多媒體的文字講解、CT/MRI等影像數(shù)據(jù)及手術(shù)錄像的展示，配合尸體頭顱的解剖訓(xùn)練，但這種方式不夠直觀，缺乏沉浸感，且尸頭解剖成本較高，手術(shù)操作無(wú)法重復(fù)[2]，更無(wú)法多次進(jìn)行手術(shù)模擬及規(guī)劃。同時(shí)，口腔顱頜面手術(shù)多在口腔內(nèi)進(jìn)行，或采用局部的微小切口，視野狹窄，手術(shù)教學(xué)難度較高。與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，基于虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）的手術(shù)平臺(tái)可反復(fù)多次虛擬解剖，且視野清晰，是更加有效的教學(xué)方式[3-4]。

我們針對(duì)口腔顱頜面科手術(shù)操作復(fù)雜、教學(xué)難度較大的特點(diǎn)，自主研發(fā)了適用于醫(yī)學(xué)生及青年口腔顱頜面外科醫(yī)生的手術(shù)培訓(xùn)軟件CMF Robot Plan，并對(duì)20名上海交通大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院的實(shí)習(xí)學(xué)生及青年醫(yī)師進(jìn)行了手術(shù)模擬的教學(xué)及操作培訓(xùn)，取得了良好的教學(xué)成果，具體報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 建立口腔顱頜面外科虛擬手術(shù)平臺(tái)并驗(yàn)證精度

口腔顱頜面外科虛擬手術(shù)系統(tǒng)主要包括醫(yī)學(xué)圖像的處理、手術(shù)器械的可視化及外科手術(shù)的虛擬與仿真三部分。在軟件建立完成后，與廣泛應(yīng)用于臨床的商業(yè)化軟件 SimPlant 11.04（Materialise公司，比利時(shí)）進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其精度。

1.1.1 醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的處理及三維建模

醫(yī)學(xué)圖像的處理及三維重建是虛擬手術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，本研究采集正常人的全頭顱CT（64層螺旋CT，層厚1.25 mm，顱頂-舌骨水平），利用MC（Marching Cubes）面繪制算法，結(jié)合漸近線判別法，生成相應(yīng)組織的三角面片模型，對(duì)三角面片網(wǎng)格模型進(jìn)一步進(jìn)行光照渲染，即可得到滿足口腔顱頜面外科虛擬手術(shù)軟件需要的三維幾何模型（圖1）。

圖1 CT數(shù)據(jù)三維重建的光照渲染顯示Fig.1 Light rendering of 3D reconstruction of CT data

1.1.2 手術(shù)器械的可視化

為了更加真實(shí)地模擬手術(shù)，就需要在虛擬手術(shù)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械的可視化，通常用于手術(shù)操作的器械有來(lái)復(fù)鋸、鉆針及磨頭等。

選取口腔顱頜面外科截骨切割所用的鋸片、鉆針等，置于天遠(yuǎn)三維掃描儀 OKIO-Ⅱ下進(jìn)行非接觸式掃描，測(cè)量精度0.02 mm，獲取手術(shù)器械的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用反求構(gòu)建法實(shí)現(xiàn)器械的三維重建，導(dǎo)出為STL格式文件，即可被軟件識(shí)別（圖2）。進(jìn)行虛擬手術(shù)操作時(shí)，可根據(jù)不同的術(shù)式選擇導(dǎo)入不同的手術(shù)器械，模擬真實(shí)的手術(shù)環(huán)境。

圖2 手術(shù)器械可視化的建立Fig.2 Establishment of surgical instrument's visualization

1.1.3 外科手術(shù)的虛擬與仿真

根據(jù)口腔顱頜面外科手術(shù)的具體臨床操作，進(jìn)行常用術(shù)式的模塊設(shè)計(jì)，包括頜骨腫瘤的切除、正頜手術(shù)及種植手術(shù)等。要完成這些手術(shù)需要實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景視角的轉(zhuǎn)換與放大縮小、手術(shù)區(qū)域的分割、頜骨的移動(dòng)等功能。

通過(guò)在虛擬手術(shù)軟件中建立模型坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系、觀察坐標(biāo)系及屏幕坐標(biāo)系之間的矩陣轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)選中區(qū)域的視圖調(diào)整，即視角的切換與縮放。根據(jù)病變的范圍及解剖標(biāo)志選取操作區(qū)域，通過(guò)切割功能模擬截骨、腫瘤分離（圖3）等，分割結(jié)束后，可對(duì)任意區(qū)域進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)及移除等操作（圖4）。

圖3 下頜骨腫瘤切除手術(shù)模擬Fig.3 Simulation of mandibular tumor resection surgery

圖4 上頜骨LefortⅠ型截骨模擬示意Fig.4 Simulation of the LefortⅠosteotomy of the maxillary

1.1.4 口腔顱頜面外科虛擬手術(shù)系統(tǒng)的精度驗(yàn)證

此部分將CMF Robot Plan與商業(yè)化軟件Sim-Plant 11.04（Materialise公司，比利時(shí)）進(jìn)行對(duì)比精度驗(yàn)證，測(cè)量的結(jié)果通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析檢驗(yàn)，對(duì)軟件在二維線距和角度測(cè)量的一致性進(jìn)行分析。

選取10例頜骨畸形患者的CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入CMF Robot Plan及SimPlant 11.04虛擬手術(shù)軟件中，在頭顱CT側(cè)位斷層面選取鼻根點(diǎn)N、蝶鞍中心點(diǎn)S、上齒槽座點(diǎn)A，測(cè)量NA兩點(diǎn)之間的距離及SNA角度，以t代表 CMF Robot Plan測(cè)量組，r代表Sim-Plant 11.04測(cè)量組，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件 SPSS對(duì)兩組數(shù)據(jù)（表1）進(jìn)行組內(nèi)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)、差值正態(tài)性檢驗(yàn)及Bland-Altman統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 虛擬手術(shù)手術(shù)教學(xué)及操作培訓(xùn)

選擇20名上海交通大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院實(shí)習(xí)學(xué)生或剛進(jìn)入專科醫(yī)師培訓(xùn)基地的年輕醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)模擬的教學(xué)及操作培訓(xùn)。教學(xué)分為兩組進(jìn)行，10人一組，由兩名經(jīng)驗(yàn)豐富的高級(jí)職稱顱頜面外科專家進(jìn)行手術(shù)模擬的教學(xué)講解及示范操作。操作分為4組進(jìn)行，每組5人，每組均有兩名已經(jīng)過(guò)軟件培訓(xùn)、操作熟練的外科醫(yī)生進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。每位學(xué)員都在虛擬手術(shù)平臺(tái)進(jìn)行從模型三維重建到模擬截骨、移動(dòng)一系列的操作流程，操作分為頜骨腫瘤切除、Le FortⅠ型截骨、雙側(cè)下頜骨矢狀劈開(kāi)、頦成型手術(shù)4個(gè)模塊。操作完成后，由兩位專家對(duì)受訓(xùn)醫(yī)師的手術(shù)方案進(jìn)行評(píng)估，分析不足的原因，經(jīng)多次實(shí)踐后達(dá)到手術(shù)模擬訓(xùn)練的目的。

表1 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的測(cè)量數(shù)據(jù)Table 1 The measurement data of experimental group and control group

2 結(jié)果

我們自主研發(fā)了虛擬手術(shù)軟件CMF Robot Plan，并獲得了計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán) （登記號(hào)：2018SR229646）。與廣泛應(yīng)用于臨床的商業(yè)化軟件SimPlant 11.04進(jìn)行精度一致性驗(yàn)證，線距及角度的誤差分析顯示，所有點(diǎn)都在95%的一致線內(nèi)，兩者在線距、角度的測(cè)量功能上一致性較好（圖5）。

圖6 誤差分析圖Fig.6 Error analysis chart

該軟件為醫(yī)學(xué)生及青年醫(yī)生提供了一個(gè)仿真的手術(shù)環(huán)境，基本滿足口腔顱頜面外科常用手術(shù)的模擬，操作簡(jiǎn)便，能實(shí)現(xiàn)對(duì)受訓(xùn)者手術(shù)規(guī)劃的教學(xué)及培訓(xùn)。受訓(xùn)的20名實(shí)習(xí)學(xué)生或青年醫(yī)生經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)后，均能順利進(jìn)行系統(tǒng)的操作，對(duì)教學(xué)術(shù)式的理解及操作熟練度均有所提升。

3 討論

對(duì)學(xué)習(xí)者的臨床技能培訓(xùn)是保證醫(yī)療質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。口腔顱頜面部區(qū)域分布有大量重要的血管、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，且面部手術(shù)對(duì)美觀的要求較高，由于操作不熟練或缺乏經(jīng)驗(yàn)造成的醫(yī)療差錯(cuò)會(huì)對(duì)患者的功能及心理造成嚴(yán)重的創(chuàng)傷。美國(guó)每年因醫(yī)療失誤導(dǎo)致的死亡人數(shù)為44 000～94 000，而大部分醫(yī)療失誤是因創(chuàng)傷性的人為因素引起的[5]。2013年，世界衛(wèi)生組織估計(jì)全球約有1 740萬(wàn)醫(yī)療專業(yè)人員短缺，傳統(tǒng)的教學(xué)模式效率低下、資源浪費(fèi)較多，已不足以向所有學(xué)習(xí)者提供統(tǒng)一的、高質(zhì)量的醫(yī)療培訓(xùn)[6-7]。

數(shù)字化教學(xué)是通過(guò)數(shù)字技術(shù)進(jìn)行教學(xué)和學(xué)習(xí)的行為，在培訓(xùn)時(shí)間和地點(diǎn)上有較大的靈活性，可涵蓋更多的受眾，且可重復(fù)性較高[7]。虛擬現(xiàn)實(shí)即是數(shù)字化教學(xué)的手段之一，是一種允許用戶實(shí)時(shí)探索和操縱計(jì)算機(jī)生成的三維多媒體感知環(huán)境的技術(shù)[8]。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其中主要用于外科手術(shù)的培訓(xùn)。

在口腔顱頜面外科領(lǐng)域，已有研究聚焦于虛擬手術(shù)教學(xué)及模擬訓(xùn)練方面。Sohmura等[9]運(yùn)用虛擬手術(shù)設(shè)備模擬了正頜外科的骨切割，該裝置允許外科醫(yī)生在手術(shù)前進(jìn)行訓(xùn)練以提升手術(shù)的熟練度；Pohlenz等[10]設(shè)計(jì)了一種適用于牙科手術(shù)的模擬器Voxel-Man，并讓53名學(xué)生進(jìn)行了根尖切除手術(shù)模擬訓(xùn)練，表明模擬器的力反饋系統(tǒng)、三維圖像感知等對(duì)牙科手術(shù)的學(xué)習(xí)是有效的；Pulijala等[11]開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證了一種沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)Le FortⅠ截骨術(shù)訓(xùn)練工具，證實(shí)該系統(tǒng)可以較好地滿足臨床醫(yī)生的手術(shù)教學(xué)需要，使學(xué)習(xí)者快速、直觀地學(xué)習(xí)解剖結(jié)構(gòu)。以上研究均表明了虛擬手術(shù)平臺(tái)在口腔顱頜面外科教學(xué)和訓(xùn)練中的積極作用。但上述的虛擬手術(shù)系統(tǒng)大部分只對(duì)應(yīng)單一的手術(shù)模式，無(wú)法滿足多變的手術(shù)需求，且不具備手術(shù)規(guī)劃功能，商業(yè)化軟件（如Surgicase、Proplan等）部分功能端口不開(kāi)放，費(fèi)用昂貴，無(wú)法滿足大規(guī)模臨床技能培訓(xùn)的需求。

本研究自主研發(fā)了一套包含多種手術(shù)操作的口腔顱頜面外科虛擬手術(shù)模擬軟件CMF Robot Plan，該軟件具有開(kāi)放式端口，可以整合于其他系統(tǒng)（如手術(shù)機(jī)器人等），有較為廣泛的臨床應(yīng)用范圍。我們利用該軟件對(duì)20名青年醫(yī)生或?qū)嵙?xí)生進(jìn)行了手術(shù)模擬培訓(xùn)。這些受訓(xùn)者均沒(méi)有真正的手術(shù)經(jīng)驗(yàn)，僅進(jìn)行了軟件培訓(xùn)和虛擬手術(shù)練習(xí)。從反饋的信息發(fā)現(xiàn)，該軟件可幫助受訓(xùn)者精準(zhǔn)診斷、熟悉手術(shù)方式并進(jìn)行手術(shù)效果的預(yù)判，為外科手術(shù)的初學(xué)者提供了良好的教學(xué)體驗(yàn)。與傳統(tǒng)的教學(xué)方法相比，利用虛擬手術(shù)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)更有沉浸感和交互性，且可以針對(duì)每次實(shí)踐發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題和感興趣的手術(shù)類型進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，多數(shù)認(rèn)為手術(shù)模擬訓(xùn)練對(duì)提升手術(shù)規(guī)劃能力及臨床技能是有益的，這與多數(shù)的報(bào)道相符[10，12-14]。

雖然本研究已顯示了一定的教學(xué)應(yīng)用效果，但存在以下問(wèn)題：①虛擬手術(shù)軟件CMF Robot Plan與國(guó)外運(yùn)用于口腔顱頜面外科的商業(yè)化虛擬手術(shù)軟件相比，功能模塊尚顯不足，僅具備簡(jiǎn)單手術(shù)的模擬功能，無(wú)法將腓骨、肋骨等stl文件導(dǎo)入軟件進(jìn)行精確的修復(fù)重建手術(shù)規(guī)劃；②軟件可選擇的手術(shù)器械有限，與實(shí)際手術(shù)所用的器械還有較大的差別，對(duì)學(xué)員熟悉及選擇實(shí)際手術(shù)中的器械幫助有限；③無(wú)法在三維立體空間上進(jìn)行三維線距、角度的測(cè)量，且精度還有待進(jìn)一步驗(yàn)證；④教學(xué)實(shí)驗(yàn)比較簡(jiǎn)單，要進(jìn)一步證明虛擬手術(shù)平臺(tái)的有效性還需更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)。

綜上所述，本研究自主研發(fā)的虛擬手術(shù)軟件CMF Robot Plan已具備了對(duì)口腔顱頜面外科基本手術(shù)操作的模擬規(guī)劃及教學(xué)功能，并初步證明了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在臨床技能培訓(xùn)中的有效性。虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)培訓(xùn)解放了傳統(tǒng)教學(xué)對(duì)地點(diǎn)的限制，縮短了教學(xué)時(shí)間，可提供實(shí)時(shí)反饋，針對(duì)不足可反復(fù)練習(xí)。在今后的研究中，可以逐漸完善虛擬手術(shù)平臺(tái)的各項(xiàng)功能，并進(jìn)一步評(píng)估其在手術(shù)教學(xué)中的作用，有望將之納入常規(guī)外科培訓(xùn)課程中，有較好的應(yīng)用前景。