罗 晶，王海威，王德利，丁 宇，魏 冰，王全玉，顾振强

胫腓骨骨折内固定手术仿真训练系统设计与实现

罗 晶，王海威，王德利，丁 宇，魏 冰，王全玉，顾振强

目的：设计胫腓骨骨折内固定手术仿真训练系统，为医学技能训练提供新方法和新手段。方法：以具有物理属性的可操作模型为基础，建立人体组织器官的三维可视模型、软组织弹性模型和力场力感模型及手术器械仿真模型，并进行手术模拟、软组织模拟、切割模拟、海上环境模拟等关键技术集成研究。结果：建立了软硬件结合的能够模拟不同海况环境条件的虚拟手术训练平台，实现了针对胫腓骨骨折内固定手术救治的虚拟培训。结论：该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，是对海上既往传统手术训练模式的一种突破。

胫腓骨骨折内固定；虚拟手术；仿真训练

0 引言

在创伤外科中，骨折为临床中的常见病和多发病。切开复位内固定手术疗效肯定、手术指征明确、并发症较少，是现阶段骨折治疗的重要方法。据国外资料统计显示，住院医师培训后初期所做手术中，有5%～20%患者发生并发症。连续手术200例后，手术并发症才呈指数型下降；连续手术400例后，手术成功率才趋于稳定。目前，国内各教学医院均为传统“学徒式”手术培训，医师仅靠从患者身上获得临床经验，短期难以掌握手术技能[1]。当前医疗环境下，患者自身保护意识提高，医疗赔偿费用不断增加，而学员初期操作给患者带来潜在风险，迫切需要现有的医疗临床实践教学模式革新。利用计算机仿真模拟技术实现专科手术操作模拟训练，为医学技能训练提供了新方法和新手段。

国外许多研究机构和商业公司对虚拟手术仿真训练进行了一系列研究和实践，国内外也有虚拟手术仿真系统开始逐渐投入使用。但由于技术不够成熟以及成本较高等原因，大多数研究成果仅用于技术演示和实验，实用化、可广泛应用的系统较少[2]。且多数研究成果局限于某一具体手术方式，缺乏对于手术仿真系统问题从整体上的分析和规划，至今尚无成熟的虚拟手术仿真系统参考模型和原型系统。

1 系统设计

本课题设计研发了胫腓骨骨折切开复位内固定手术虚拟培训系统，为操作者提供了一个具真实感和沉浸感的训练环境，获得在实际手术中的手感并进行操作训练。通过实现软组织、骨骼组织的建模仿真和对力反馈设备的支持获得手术过程的触觉和力反馈交互，交互操作的手术过程供教学和训练评估。虚拟手术仿真培训系统实现的功能还包括碰撞检测技术的应用，手术刀对软组织的切割、变形等以及手术操作评价机制的实现。

1.1 设计目标

（1）通用性。采用通用的框架体系进行设计。手术操作各阶段步骤和对应手术部位的人体组织器官模型存储在外部文件中。对于不同的手术，手术场景的显示模块和交互操作模块统一调用，便于实现系统功能应用的扩展，实现模型的复用。

（2）仿真性。培训者操作时，选择所要进行训练的手术，读取对应的场景文件和模型文件，各种仿真对象作为场景中的资源被生成和显示，实现真实手术场景、真实手术视野的逼真复现。通过多种模型综合应用，获得操作真实仿真。

（3）交互性。除实时逼真地显示现实手术场景的内容，用户借助于外部设备进行交互操作实现参与手术过程的实时体验式操作。交互包括2个方面：一是虚拟手术仿真系统支持提供交互功能的设备进行手术操作过程本身；二是在交互操作时系统计算人体或器官模型在软组织变形时的形变结果和力反馈输出。

（4）可评价。手术操作培训应用功能上应该具有可评价性。虚拟手术操作全过程通过软件实现，系统能记录操作动作，精确采集保留过程数据，据此得出手术训练的客观评价及统计数据，提高针对性和有效性。

1.2 系统功能模块

系统功能模块包括资源管理、场景管理、场景绘制、交互界面和控制管理（如图1所示）。

图1 虚拟手术仿真系统组成部分

（1）资源管理。实现所模拟手术及手术部位内容从外部资源文件装载，完成各组织器官的几何、生物属性的加载，读入手术步骤外部文件。在手术场景生成载入物理模型、计算模型和视觉模型的对象。

（2）场景管理。通过层次结构的场景组织方式，对三维场景内的对象进行管理。对同一对象关联不同应用模型，不同的模型采用映射的机制进行管理。

（3）场景绘制。通过碰撞检测、场景渲染、各种模型受力变化的计算实现不同场景显示。遍历场景图中的每个节点，进行实时的碰撞检测和手术操作的力学、变形、分割等计算，绘制可见节点信息，完成场景渲染，形成屏幕中的图像并支持立体视觉。

（4）交互界面。用户操作界面UI实现，实时显示当前各种状态信息，获取关键步骤的操作时间顺序等数据；提供选取各种手术器械方式进行不同的手术操作，提供系统各功能按钮。

（5）控制管理。系统控制管理计算能力的分配，对用户操作进行响应，结合各部分计算结果调控系统运行。

2 系统实现

2.1 基础数据准备

对胫腓骨骨折内固定术操作流程进行抽象，将手术过程分解成术前准备、切皮、止血、髌韧带切开、髌韧带拉开、髓腔开口、清理工具、植入髓内钉、开口、安装钻套、钻孔、测探、植入铰锁螺栓、清理工具、封闭、手术完成16个子流程，确立各手术操作阶段手术器械的使用情况和对手术操作的评估等专业要求。经过对虚拟手术器械和相关手术部位组织的建模实现模型加载，建立可操作的模型，实现手术过程操作的交互控制。

2.2 开发平台及图形渲染机制

虚拟手术仿真训练系统开发环境为Microsoft Visual Studio 2008，采用标准C++语言，利用Delta3D引擎的标准应用程序编程接口（application programming interface，API）实现。系统采用当前先进的开源仿真引擎Delta3D进行图形绘制及渲染。Delta3D是2002年4月由美国海军研究学院开发的全功能开源游戏与仿真引擎[1]，采用标准化设计，封装开源软件引擎如OSG（open scene graph）和ODE（pen dynamic engine）等，形成使用方便的高级API函数库（如图2所示）。使用Delta3D所开发出的虚拟手术仿真训练系统具有良好的扩展性和跨平台特性。

图2 Delta3D环境虚拟手术仿真训练系统的实现

2.3 软件实现

2.3.1 可操作模型的建立

建立具有物理属性的可操作模型是虚拟仿真的基础。包括建立人体组织器官的三维可视模型、软组织弹性模型、力场力感模型、手术器械仿真模型等。

以3DMAX建立模型导出，通过GMesh工具，把2D表面模型生成相应的3D体模型。模型的基本体素是四面体，给四面体加上颜色信息，渲染后可见行为模型的效果图。在三维模型的基础上，建立行为模型。在给定的三维模型上标定多个行为节点，通过节点变化计算，换算成三维形体的变形，用于碰撞检测和力反馈模拟[3]。抽象的行为模型节点数都会远远小于三维可视模型的点数，这使仿真计算公式更好地抽象简化，减少了计算量，提高了计算实时性。图3和4是胫腓骨组织建模的过程和不同模型，胫腓骨组织模型组成见表1。

组织的各种模型构建完成后，系统通过场景图的方式采用层次结构来组织管理模型文件和相应的属性等数据[4-5]。模型是场景图节点上的一个组件，模型的属性也以节点的方式附着在模型组件节点上。

图3 以胫腓骨为例的人体组织建模

图4 以胫腓骨为例的人体组织模型

表1 胫腓骨模型组成和成分

2.3.2 三维场景的渲染显示

在经过实时碰撞检测和各种模型受力变化计算的基础上，实现手术环境和过程显示的场景渲染。采用场景图进行场景的组织和渲染。系统遍历场景图中的每个节点，绘制可见节点信息，形成屏幕中的图像并支持立体视觉。场景图为对象的层次结构组织，这种结构具有嵌套和递归的特点[6]，明显提高查询速度，计算复杂度从O（n）提高到O（log n），便于实时建立和维护。为方便用户使用，场景渲染显示同时实现整个手术场景漫游、场景透视等特效模拟，且多视角场景组合。系统显示截图如图5～8所示。

图5 手术开始场景

图6 手术器械选取

图7 透视效果

图8 缝合

2.3.3 支持力反馈设备的交互操作

使用力反馈交互设备[7]，操作者能感受到来自器械的阻力和回弹力，从而获得逼真的手术操作体验。通过力反馈设备操作记录，还能获得操作准确性和正确性的评估数据，真正达到手术训练效果。

虚拟手术的临场感、操作感、沉浸感都要靠实际的交互设备得以体现。为了支持这些设备，建立起虚拟的设备抽象层，通过其和每个具体的交互设备硬件建立连接和反馈。对外部设备的各种操作进行封装，为用户提供交互的图形用户界界。实现方法如图9所示。

图9 InputServer抽象虚拟层

支持力反馈的虚拟手术仿真训练系统将触觉仿真部分从其他的系统模块中独立分离出来，包含应用程序进程和触觉仿真进程2个异步运行进程。应用程序进程渲染绘制触觉场景构建手术环境，同时启动触觉仿真进程；触觉仿真进程只负责实现力反馈，维持很高的刷新频率（1 000 Hz）。软件实现效果如图10所示。

图10 软件实现效果图

3 系统应用效果

我院自2011年在外科教研室应用该训练系统进行手术培训。通过对30名学员进行理论授课结合虚拟手术操作的反复训练，与动物手术操作为对照进行评估考核，经过评估考核优良率达到95%，表明学员已顺利掌握了该手术的关键步骤[8-9]。在我院海上医疗队执行出访拉美4国的海外医疗活动任务中，使用该装置进行了胫腓骨骨折内固定术的手术培训。医疗队员在手术室准备间内进行虚拟手术培训操作的应用场景如图11、12所示。执行任务期间，课题组还就虚拟手术训练系统的应用效果进行了调查。发放问卷100份，收回100份，其中有效问卷为98份，调查结果见表2。

图11 虚拟手术培训系统应用场景

图12 海上演练应用展示虚拟手术培训系统场景

表2 虚拟手术培训效果调查结果汇总

4 结语

仿真技术是以控制理论、数模与计算技术、信息技术、系统技术及其应用领域相关专业技术为基础，借助系统模型对系统进行研究的一门新兴综合性技术。其为可控制、无破坏性、耗费小、允许多次重复的试验手段，以高效、优质、低廉体现其强大的生命力和潜在的能力[10]。它是迄今为止最有效、经济的综合集成方法之一，是推动技术进步的战略技术[11]。

本课题将虚拟仿真技术中的3D建模技术、3D场景渲染技术、软组织变形与切割等多项先进技术集成应用，研发了软硬件结合的训练平台，实现了模拟海上手术操作的医疗队专科手术针对性训练，为该技术的集成及在本领域内的应用进行了创新探索，同时对海上既往传统手术训练模式实现了突破，填补了该研究领域相关应用的空白。

[1]王德利，阮狄克，冀桂珍，等.现代脊柱外科手术解剖训练教学改革与价值评估[J].北京医学，2012，34（10）：937-938.

[2]谢倩茹，耿国华.虚拟手术中的快速碰撞检测算法[J].计算机应用，2012，32（3）：719-72l.

[3]魏迎梅.虚拟环境中碰撞检测问题的研究[D].长沙：国防科学技术大学，2000.

[4]薛清，李明禄.一种基于骨架的可变形物体建模方法[J].计算机工程，2006，32（22）：260-262.

[5]付玉锦.采用仿真手术刀的虚拟外科手术关键技术研究[D].北京：中国科学院自动化研究所，2005.

[6]付玉锦，原魁，杜清秀.基于手术刀的虚拟外科手术系统仿真器[J].计算机工程与应用，2005，41（19）：97-100.

[7]杨扬.基于虚拟手术的力反馈机制研究[D].上海：上海交通大学，2009.

[8]罗晶，王海威，王德利，等.医院船医疗队虚拟手术训练平台的设计与应用研究[J].军事医学，2012，36（8）：575-578.

[9]罗晶，王海威，王德利，等.海上医疗队虚拟手术训练平台系统的设计[J].医疗卫生装备，2012，33（9）：17-20.

[10]王全玉，米庆，申鹏洋，等.虚拟发射装置在投影系统中的定位方法研究[J].系统仿真学报，2012，24（10）：2 060-2 065.

[11]任剑.虚拟仿真技术及其在军事上的应用[J].军民两用技术与产品，2007（6）：30-31.

（收稿：2014-02-07 修回：2014-06-20）

2015江苏国际医疗器械科技博览会媒体见面会在常州召开

2015江苏国际医疗器械科技博览会（MEDITEXPO JIANGSU 2015）媒体见面会于2015年2月5日在常州举行。江苏省食品药品监督管理局，江苏省常州市食品药品监督管理局，常州市武进区人民政府、卫生局、食品药品监督管理局，中国中西医结合灾害医学学会，中国医疗器械行业协会，江苏省医疗器械行业协会，常州市医疗器械行业协会，常州国家医疗器械国际创新园，常州国际医疗器械城，UBM China博闻集团等单位的领导应邀出席见面会。来自相关专业媒体的40多名代表以及60多名行业嘉宾出席了会议。江苏省医疗器械行业协会副会长刘建华、常州市武进区人民政府副区长王明昌、中华医学会中华卫生应急电子杂志总编岳茂兴、常州市医疗器械行业协会会长徐岳忠、博闻中国集团首席代表Philip Chapnick和副总经理李小蕾先后致辞。

2015江苏国际医疗器械科技博览会（展会官网：www.meditexpo.com）由UBM China博闻中国与常州国际医疗器械城联合主办，将于2015年9月24—26日在常州西太湖国际博览中心举行。展会同期将举办全国中西医结合灾害医学学术大会，中国国际骨科、生物材料和伤口护理产业与投资峰会，高分子医用耗材发展论坛，江苏省医疗器械行业协会年会等学术论坛及行业会议。展会预计展览面积达30 000 m2，将吸引800多家国内外医疗器械知名企业参与，专业观众预计突破30 000人次。

（2015江苏国际医疗器械科技博览会主办方 供稿）

Design and implementation of tibiofibula fracture fixation operation simulation training system

LUO Jing1,WANG Hai-wei1,WANG De-li1,DING Yu1,WEI Bing1,WANG Quan-yu2,GU Zhen-qiang2
(1.Navy General Hospital,Beijing 100048,China;2.Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

ObjectiveTo design a tibiofibula fracture fixation operation simulation training system.MethodsSome applicable mode with physical attributes was used to establish three-dimensional visible model of human tissues and organs,soft tissue elasticity model，induction force and induction frequency converter model,and the simulation model of operation instruments.Integrated researches were carried out for the key technologies of surgery simulation,cutting simulation,sea environment simulation and etc.ResultsA virtual operation training platform with hardware and software was developed which could simulate different sea environment conditions and realize virtual training of tibiofibula fracture fixation operation.ConclusionThe system provides a training environment with the senses of reality and immersion.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（3）：24-27]

tibiofibula fracture fixation;virtual surgery;simulation training

R318；TP311.13

A

1003-8868（2015）03-0024-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.03.024

海军后勤部科研计划（BHJ09RD09）

专 利：国家实用新型专利（ZL 201120543924.8，ZL 201120543915.9）

罗 晶（1971—），女，高级工程师，主要从事医院信息化及海军卫勤信息化方面的研究工作，E-mail：luojing1988@sina.com。

100048北京，海军总医院（罗 晶，王海威 王德利，丁 宇，魏 冰）；100081北京，北京理工大学（王全玉，顾振强）

王海威，E-mail：comfort866@sina.com