腹腔镜直肠癌手术的虚拟训练及评估
2015-06-23
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(Virtual Surgery)作为正在发展起来的研究方向,是集医学、生物力学、机械学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、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,包括:手术计划制定,手术排练演习,手术教学,手术技能训练,术中引导手术、术后康复等。以目前流行的腹腔镜微创外科为例,这种手术通过在病人腹部开孔,将手术器械和摄像头深入到腹腔内,医生从电脑屏幕上观察腹腔状况并操作手术器械,能够极大限度地减小创口,减轻病人的痛苦,缩短病人康复时间。这种手术方法给病人带来了福音,却对医生提出了更高的要求,医生必须经过充分的训练才能掌握其眼手协调能力,胜任相应手术。目前针对这类手术的训练通常是在尸体、动物或者人工合成物(如硅胶)上进行的。尸体能够提供一个真实的解剖结果,但是来源稀少,并且尸体跟活体对手术器械表现出的响应并不相同。动物活体能够表现出真实的响应,但费用昂贵,并且在医学伦理道德上越来越受到限制。人工合成物价格便宜,但是不能很好地反应软组织的特性。相比之下,虚拟手术技术具有手术环境及器械响应可控,可重复演练等多项优点,成为未来外科培训的发展趋势。医生借助VR手术模拟器进行手术训练及规划,可降低手术训练以及治疗的成本和风险;减少医生培训教学中对动物和尸体的依赖;提高临床医学诊断、治疗的技能和精度;使得高难度手术得以更快地普及;减轻患者的治疗痛苦、缩短滞院时间、降低医疗支出。



The interface of some commercial and academic VR surgical simulator

在这一领域,本人目前的研究成果主要集中在以下两个方面:
(1)创造性地建立了一种基于管状软组织(如肠道)变形的球链混合模型,解决了虚拟手术过程中管状软组织大形变、大位移情况下的三维图形渲染的准确性与实时性问题;另外,我们提出了一种多层次弹簧-质点模型来处理肠道周边粘膜结构的切割仿真。
(2)攻克了可控性力反馈滤波器技术,能在虚拟手术中根据器官模型和手术器具的形状,自适应地调整力的分布和大小,提高了力反馈和碰撞检测的精度和稳定性。还设计了一种动态评估模型用以实时评价和指导直肠癌手术的操作。
利用上述技术,带领团队研发了世界首台基于虚拟现实技术的直肠癌腹腔镜手术训练系统,其技术成果达到世界先进水平,得到学术及工程界的认可,获得英国BBC电视台、报纸(Rock)、知名医学杂志(CyberTherapy & Rehabilitation)及英国虚拟现实公司(Inition)的采访与报道。

以下是一些媒体报道的截图:


“A Medical VR Simulator in Laparoscopic Rectum Surgery”—— CyberTherapy & Rehabilitation

潘俊君,计算机学院,副教授,卓越百人,E-mail: pan_junjun@buaa.edu.cn

参考文献
[1] Pan, J., Chang, J., Yang, X., Liang, H., Zhang, J. , Qureshi, T., Howell, R., and Hickish, T., Virtual Reality Training and Assessment in Laparoscopic Rectum Surgery, International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, 6, 304-317, 2014
[2] Pan, J., Chang, J., Yang, X., Qureshi, T., Howell, R., Hickish, T., and Zhang, J. Graphic and haptic simulation system for virtual laparoscopic rectum surgery. International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, 7: 304-317, Jun. 2011.
[3] Chang, J., Yang, X., Pan, J., Li, W., and Zhang, J. J., A fast hybrid computation model for rectum deformation; The Visual Computer; 27: 97-107, 2010