基于虛擬現實技術的先天性心臟病手術模擬器開發與評估

黃海平

（肇慶醫學高等專科學校人文學院，廣東 肇慶 526000）

0 引 言

先天性心臟病（CHD）是指在胎兒發育過程中由于各種原因導致的心臟結構異常，是一類常見的出生缺陷，全球約占新生兒出生缺陷的28%［1］。 根據病變類型和嚴重程度的不同，治療方法也有很大差異。 在許多情況下，手術是治療先天性心臟病的首選方法［2］。 然而，手術治療具有一定的風險，且對醫生的手術技能和經驗要求極高。 隨著醫學技術的發展，虛擬現實技術在手術培訓和技能提高方面顯示出巨大潛力。

虛擬現實（VR）技術是一種通過計算機生成的三維虛擬環境，能夠為用戶提供身臨其境的體驗［3］。 近年來，虛擬現實技術在醫學領域得到了廣泛應用，特別是在手術培訓、疼痛管理和康復治療等方面取得了顯著成果［4］。 基于虛擬現實的手術模擬器可以為醫生和醫學生提供一個低風險、高保真的手術訓練環境，有助于提高手術技能和減少手術并發癥［5］。

本研究旨在開發并評估一種基于虛擬現實技術的先天性心臟病手術模擬器。 研究希望通過這一模擬器為醫生和醫學生提供一個有效的手術訓練平臺，從而提高手術成功率和降低并發癥發生率。 為了實現這一目標，將分析不同類型的先天性心臟病，設計相應的虛擬手術環境，并評估模擬器的有效性和可靠性。 此外，還將探討如何優化交互界面和用戶體驗，以利于用戶能夠在虛擬環境中更自如地執行手術操作。

1 資料與方法

1.1 設計原則與目標

在設計和開發先天性心臟病手術模擬器時，研究遵循以下原則：

（1）高度仿真，以提供逼真的手術環境；

（2）低成本，以便廣泛應用于醫學教育和培訓；

（3）易于使用，以降低學習成本；

（4）可擴展性，以適應不斷發展的醫學技術。

本研究的目標是開發一種基于虛擬現實技術的先天性心臟病手術模擬器，用來提高醫生和醫學生的手術技能。

1.2 虛擬現實技術選型

本研究選擇了兼具高保真和高性價比的頭戴式顯示設備（HMD）作為虛擬現實技術方案。 HMD 可以實現沉浸式體驗，讓用戶感覺自己身處手術環境中［6］。 此外，還使用了高精度的定位系統和手部追蹤設備，以實現精確的手術操作控制。

1.3 具體實現方法

1.3.1 基于解剖學的心臟模型構建

本研究采用了先進的三維建模技術和生物力學模型來構建逼真的心臟解剖結構。 首先，利用醫學影像數據（如CT、MRI）生成高質量的心臟模型。 為了實現這一目標，采用了一種基于圖像分割的方法，通過識別和跟蹤不同組織結構的邊緣，以生成精確的三維幾何模型。 接著，根據心臟生物力學特性，為模型添加合適的材質屬性，以實現組織切割、縫合等操作的真實感。 在這個過程中，采用了非線性彈性材料模型來描述心臟組織的力學特性。 考慮組織間的摩擦和粘附作用，通過引入柯依塔（Coulomb）摩擦模型和接觸粘附力模型，增強模擬器的真實感。

1.3.2 手術器械與手術操作的建模

本研究針對常見的心臟手術器械（如手術刀、鉗子、縫合針等）進行了詳細的三維建模，并賦予了適當的物理屬性，例如質量、彈性和摩擦系數等。 為了提高手術操作的真實感，還對手術器械的關節和運動范圍進行了精確的設置，使其能夠更好地模擬實際手術中的操作。 此外，還模擬了手術操作過程中的約束和碰撞反饋，例如器械與組織之間的碰撞檢測和力反饋，以增強手術操作的真實感。

1.3.3 手術過程的動態模擬

本研究利用物理引擎實現了手術過程中的動態模擬。 在切割、縫合等操作過程中，物理引擎會實時計算組織的應力和變形，以呈現出手術操作對心臟組織的影響。 為了實現這一目標，采用了有限元分析（FEA）技術，能夠在復雜的幾何形狀和材料屬性下精確計算力學響應。 此外，模擬器還模擬了血流動力學，為手術操作提供更真實的視覺效果和生物力學反饋。 為了實現這一目標，研究采用了計算流體動力學（CFD）方法，能夠模擬血液在心臟內部和外部的流動特性。 通過結合有限元分析和計算流體動力學，本文提出的模擬器可以在手術操作過程中提供連貫且逼真的生物力學和視覺反饋。

1.3.4 交互界面與用戶體驗設計

為了提供更自然的手術操作體驗，本研究設計了一套直觀的交互界面，使用手部追蹤設備實現對手術器械的精確控制。 同時，通過振動反饋裝置，用戶可以在操作過程中感受到切割、縫合等動作的觸覺反饋。 此外，進一步優化了視覺呈現和聲音效果，以提高用戶的沉浸感和手術操作的真實感。

1.4 模擬器評估方法

1.4.1 評估目標與標準

本研究的評估目標是驗證基于虛擬現實技術的先天性心臟病手術模擬器對提高醫生和醫學生手術技能的有效性。 將根據以下標準進行評估：手術操作的準確性；手術操作的時間效率；參與者對模擬器的滿意度；參與者手術技能的改善程度。

1.4.2 觀察組和對照組

本實驗的參與者分為2 組。一組為具有一定手術經驗的心臟外科醫生（n ＝20），另一組為正接受心臟外科培訓的醫學生（n ＝20）。 所有參與者在實驗前都需要簽署知情同意書。

1.4.3 實驗流程與任務

實驗分為3 個階段：預實驗階段、實驗階段和后實驗階段。 在預實驗階段，參與者需完成一份關于手術經驗和背景信息的問卷。 接著，參與者將接受關于模擬器操作的培訓。

在實驗階段，每位參與者需在模擬器中完成2個先天性心臟病手術任務，分別是：完整性心內膜墊修補術；法洛四聯癥手術。 每位參與者需在模擬器中完成2 輪手術操作。

在后實驗階段，參與者需完成一份關于模擬器滿意度的問卷，并接受關于手術操作的反饋。

1.4.4 數據收集與處理

將收集以下數據：

（1）手術操作的準確性數據，如組織切割深度、縫合位置等；

（2）手術操作的時間效率數據，如完成任務所需時間；

（3）參與者對模擬器的滿意度評分；

（4）模擬器操作前后參與者手術技能的評估分數。

1.4.5 統計學分析

將采用描述性統計分析和推斷性統計分析方法來分析實驗數據。 首先，將計算各項指標的平均值和標準差。 接著，將使用獨立樣本t檢驗比較2 組參與者在各項指標上的表現差異。 此外，還將使用成對樣本t檢驗比較參與者在模擬器操作前后手術技能的改善程度。

2 實驗結果

2.1 參與者手術技能的提高

實驗結果顯示，在模擬器操作后，醫生組和醫學生組的手術技能評估分數均有顯著提高（詳細數據見表1，p ＜0.05），說明虛擬現實技術在提高先天性心臟病手術技能方面具有潛力。 此外，醫學生組的技能提高幅度高于心臟外科醫生組，表明模擬器對醫學生手術技能培訓的作用尤為明顯。

表1 參與者手術技能評估分數（滿分為100）Tab. 1 Participants′ surgical skill assessment scores （full score is 100）

2.2 模擬器在不同手術類型的適用性評估

通過對參與者在2 個不同手術任務（完整性心內膜墊修補術和法洛四聯癥手術）的表現進行比較（詳細數據見表2、表3），分析發現模擬器在處理不同類型的先天性心臟病手術時都具有較好的適用性。 然而，針對一些更復雜的手術類型，如罕見的先天性心臟病，模擬器可能需要進一步優化以滿足特定手術操作的需求。

表2 參與者手術操作準確性評分（滿分為10）Tab. 2 Scores surgical operation accuracy of participants（full score is 10）

表3 參與者手術操作時間效率Tab. 3 The efficiency of surgical operation time of participants min

2.3 模擬器的優缺點分析

本研究開發的模擬器具有以下優點：

（1）高度仿真的手術環境和操作；

（2）靈活的手術類型選擇和個性化設定；

（3）低成本且易于普及。

然而，模擬器也存在一些局限性：

（1）虛擬現實技術本身的局限，如視覺延遲、頭戴式顯示設備的舒適度；

（2）部分組織材料屬性和生物力學模型可能尚不完善，影響了手術操作的真實感；

（3）由于硬件限制，模擬器在處理大量數據和復雜計算時可能出現性能瓶頸。 參與者對模擬器的滿意度評分可參見表4。

表4 參與者對模擬器的滿意度評分（滿分為5）Tab.4 Participants＇satisfaction ratings on the simulator （full score is 5）

3 討 論

前人的研究表明，虛擬現實技術在手術模擬和培訓中具有一定的應用價值，但在先天性心臟病領域的相關研究仍相對有限［7］。 一些研究已經探討了虛擬現實技術在先天性心臟病手術的教育和技能培訓中的作用［8－9］，但尚未涉及到系統性的評估和針對不同醫生和醫學生群體的應用。

本文的結果表明，本次研究成功開發了一款基于虛擬現實技術的先天性心臟病手術模擬器，并通過實驗驗證了其在提高醫生和醫學生手術技能方面的有效性。 本研究發現，使用該模擬器進行培訓的參與者在手術技能評估分數上均有顯著提高，特別是對于醫學生群體。 此外，模擬器在處理不同類型的先天性心臟病手術時都表現出較好的適用性。

本文結果與前人結果的比較表明，本次的研究在先天性心臟病手術培訓領域取得了較大的進步。與之前的研究相比，本研究開發的模擬器在手術操作的真實感、靈活性和適用性方面均有明顯優勢［10］。 此外，本次研究的實驗設計更加嚴謹，涵蓋了不同經驗水平的醫生和醫學生，有助于評估模擬器對不同群體的實際效果。

仿真結果表明，本研究為先天性心臟病手術培訓的創新方法提供了有力支持，并有望推動虛擬現實技術在醫學領域的進一步應用。

4 結束語

盡管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些局限性，如虛擬現實技術本身的局限、部分組織材料屬性和生物力學模型的不完善等。 針對這些問題，未來研究可以從以下幾個方面進行改進：

（1）尋求更高性能的硬件設備，提高模擬器的計算能力和響應速度；

（2）改進生物力學模型和組織材料屬性，增強手術操作的真實感；

（3）開發更多的手術類型和病例，滿足不同醫生和醫學生的培訓需求；

（4）探索將模擬器與遠程教育和協作系統相結合，實現分布式手術培訓和專家指導。 通過這些改進，有望為醫學教育和醫療行業帶來更多實質性的貢獻。