虛擬外科手術訓練的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、虛擬手術訓練力覺交互技術的現(xiàn)狀與趨勢戴金橋1，俞阿龍1，孫紅兵1，徐寶國2（1.淮陰師范學院 物理與電子電氣工程學院，江蘇 淮安 223300；2.東南大學 儀器科學與工程學院，江蘇 南京 210096）摘要：虛擬手術訓練系統(tǒng)對于解決傳統(tǒng)的手術訓練存在的問題，提高臨床手術的安全性和治愈率起著積極的作用。在介紹了目前虛擬手術訓練系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，闡述了虛擬手術訓練交互裝置的研究進展，針對目前虛擬手術訓練交互裝置存在的問題，提出了建設性的解決方案，并分析了其發(fā)展趨勢和應用前景。關鍵詞：虛擬手術訓練；力覺交互裝置；智能材料；主/被動混合驅動中圖分類號: tp24文獻標識碼:a the statu

2、s and development trend of haptic technology for virtual surgical trainingdai jin-qiao1, yu a-long1, sun hongbing1, xu bao-guo2(1.school of physical and electronic and electrical engineering，huaiyin normal university，huaian 223300，china; 2. school of instrument science and engineering, southeast uni

3、versity. nanjing 210096, china;)abstract: virtual surgical training systems play an active role in solving the problems brought by traditional surgical training and enhancing the operation security and the cure rate. after the current status of the development of virtual surgery training system is i

4、ntroduced, the research progress of interaction device for virtual surgical training is highlighted. constructive solutions are put forward to make up for the deficiencies existed in the current of interaction device, and its trends and prospects are analyzed.收稿日期：基金項目：國家自然科學基金61104206作者簡介：戴金橋（1973）

5、，男，江蘇漣水，漢，博士，講師，主要研究方向為機器人力觸覺、測控技術與智能系統(tǒng)。隨著科技的發(fā)展，人們對生命健康品質的要求越來越高，世界各國對醫(yī)療技術特別是外科手術的安全性提出更高的要求，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，臨床手術的失誤80%是人為失誤引起的，所以手術訓練對于年輕外科醫(yī)生的成長極為重要，然而傳統(tǒng)手術訓練方式存在諸多問題1，為了解決傳統(tǒng)手術訓練方式的局限性，虛擬手術技術成為近年研究熱點之一。隨著機器人技術、計算機圖形學、生物工程學和數(shù)學建模技術的高速發(fā)展，基于虛擬現(xiàn)實的虛擬手術訓練系統(tǒng)為醫(yī)護人員的手術訓練提供了機會，也為傳統(tǒng)手術訓練所面臨的一系列問題提供了一種具有潛力的解決方案。虛擬手術訓練過程中，醫(yī)

6、生通過力觸覺設備對虛擬的器官進行手術，感覺好像他們處在真實的環(huán)境當中對真實的器官操作一樣，虛擬手術不僅可以毫無限制的重復操作，而且可以根據(jù)需要設置不同訓練難度，讓不同級別的醫(yī)療人員反復訓練，訓練的結果也可以保存起來方便以后的學習，訓練所花的成本也非常低。同時可以用來評估手術結果，包括完成手術時間、手術操作的精確度、動作的簡潔性、人為失誤的數(shù)量、手術路徑的長度、患者的安全性、受訓者個人滿意程度等，通過這些基本參數(shù)的提高，可以保證手術成功和減低病人痛苦，提高手術成功率2。因為虛擬手術訓練系統(tǒng)提供了種既安全又節(jié)省的訓練方案并被實踐證明行之有效，已得到世界各國越來越多的關注。1 虛擬手術訓練交互技術的

7、發(fā)展現(xiàn)狀鑒于基于虛擬手術訓練系統(tǒng)的重要意義，國內外各大研究機構廣泛開展了這方面的研究。20 世紀80年代末，delp 和rosen 構建了世界上第一個虛擬外科手術系統(tǒng)3。1991年satava 完成了第一個腹部手術仿真系統(tǒng)。然而這些虛擬外科手術訓練系統(tǒng)沒有力觸覺交互設備，操作者無法真實感受到虛擬手術過程中手術器具與肌體組織的相互作用，直到1995年，levy在虛擬手術系統(tǒng)中加入了簡單的力反饋設備，這才是第一次真正意義上的虛擬手術。1999年德國的研究者研制了一個具有圖像和力反饋的虛擬操作系統(tǒng)用于骨髓穿刺手術訓練4。2001年德國karlsruhe商用虛擬內窺鏡手術訓練裝置研制成功，操作者通過操

8、作帶有力觸覺的機械手模擬控制手術刀進行虛擬內窺鏡手術，同時在圖形界面上逼真模擬手術過程中人體組織切割、變形、流血等現(xiàn)象5。2004年美國俄亥俄州立大學機械工程系的研究人員建立了一個虛擬觸診系統(tǒng)，用于專家對學員的訓練6。2005年意大利的里雅斯特santanna 高級學校感知機器人實驗室開發(fā)了具有力反饋功能的微創(chuàng)血管模擬手術裝置7。2007年日本大阪大學的yoshihiro kuroda 等人利用cyberforce 開發(fā)了多手指虛擬手術交互系統(tǒng)用于內臟手術時讓開無疾病器官的訓練8。2009年美國的shun liang 等人利用phantom 開發(fā)了用于關節(jié)囊縫合虛擬手術訓練系統(tǒng)9，同年香港理工

9、學院的kup-sze choi 等人利用phantom研究了利用晶狀體乳化法對白內障患者手術的虛擬手術訓練系統(tǒng)10。2010年德國宇航中心的rainer konietschke 等人利用自行研制的手控器研制開發(fā)了微創(chuàng)外科手術多模式訓練平臺11，同年意大利salerno大學的andrea f abate 等人利用cyberforce開發(fā)了一種虛擬手術訓練系統(tǒng)用于人工分娩手術的訓練12。2011年瑞士的andreas tobergte等人利用sigma.7手控器開發(fā)了雙手操作的手術訓練平臺用于控制微創(chuàng)手術機器人實現(xiàn)微創(chuàng)手術的訓練13，韓國的jong-seok oh等人開發(fā)了一種基于電流變液球形關節(jié)

10、的3自由度力覺反饋手控器用于實現(xiàn)對微創(chuàng)機器人的控制14。2012年荷蘭代爾夫特理工大學的vinoth manoharan等人設計開發(fā)了一種2自由度力反饋手術訓練系統(tǒng)用于脊椎穿刺手術的訓練15,同年，c. staub等人通過對phantom premium 1.5進行改造并設計完成了力反饋手控器用于對機器人手術系統(tǒng)的控制16。國內對虛擬手術的研究工作開展較晚，用于虛擬手術訓練的力觸覺交互技術研究基礎相對薄弱，但也取得了一定成績。2005年中國科學院自動化研究所研制了一種與真實手術刀近似的虛擬手術刀系統(tǒng)17。2008年上海交通大學的學者們利用phamtom desktop和virtual lapa

11、roscopic開發(fā)了腹腔鏡手術虛擬手術系統(tǒng)用于對腹腔鏡手術的訓練18。2010年哈爾濱工程大學的研究者們利用phantom開展了虛擬手術中軟組織實時變形算法實驗研究19，同年河南科技大學利用omega.3開展了虛擬手術的力觸覺交互技術的研究20。華南師范大學的何健等人利用phantom開展了虛擬手術系統(tǒng)的研究21，南京信息工程大學的張小瑞等利用phantom omni開展了雙通道力觸覺交互的虛擬肺手術仿真系統(tǒng)研究22。2 虛擬手術訓練的力覺交互裝置用于虛擬手術訓練的力觸覺交互裝置對于手術水平和效率的提高是至關重要的，因此對力觸覺交互裝置的保真度提出了很高的要求。目前大多數(shù)虛擬手術系統(tǒng)是利用已

12、商業(yè)化的力觸覺交互設備，如sensable 公司的phantom、immersion 公司的cyberforce、force dimension 公司的delta、omega 手控器、novint公司的falcon以及haption公司的virtuose、mimic公司的mantis等，還有一部分是在這些力觸覺設備基礎上進行二次開發(fā)后研制的，如西班牙的jose sam martin 等通過對phantom 的改進，使其適合于關節(jié)微創(chuàng)手術訓練23，澳大利亞的arne sieber 等人將微型傳感器安裝于phantom 末端執(zhí)行器，構建了能夠反饋三維力的力觸覺實驗平臺，用于虛擬手術訓練系統(tǒng)24，意

13、大利salerno 大學的andrea f abate 等人利用cyberforce 開發(fā)了分娩手術訓練力交互設備，用于模擬鉆孔的simquest是利用兩個3自由度的falcon裝配而成的12。除了已商業(yè)化的力覺交互裝置外，還有部分虛擬手術力交互設備應用于實驗室或正在研究開發(fā)中，如美國drexel大學的研究人員研制了用于微創(chuàng)外科手術的7 自由度的力覺反饋裝置25。墨西哥的padilla等人研究開發(fā)了一種用于前列腺切除手術訓練的力觸覺交互設備26，日本的takafumi terada 等人研制開發(fā)了用于內窺鏡手術訓練觸覺模擬器27，shohei fujino等人設計了類剪刀力覺裝置用于模擬剪切感

14、覺28，2009年美國約翰霍普金斯大學的basafa等人研發(fā)了一種串聯(lián)彈性元件的力覺裝置用于腹腔鏡檢查虛擬手術29，2010年加拿大siddharth vikal 等人研制開發(fā)的折疊式經(jīng)皮手術訓練的力交互裝置30等，2011年瑞典的suleman khan等人設計并優(yōu)化了用于模擬人體硬組織手術過程的tau力覺裝置31， 法國的chaker等人研究開發(fā)了一種球面并聯(lián)的力反饋裝置用于醫(yī)療虛擬手術32，2009年，上海交通大學國家數(shù)字化制造技術中心宋亞沖等人推出了五維力反饋虛擬手術裝置33。中國天津大學的zhao等人研究了用于模擬微創(chuàng)手術的高透明度力覺設備34，哈爾濱理工大學開展了單自由度和兩自由度

15、的虛擬手術器具的研究35，北航的學者們研發(fā)了一種用于牙齒手術訓練的力覺交互裝置“ifeel3”36，哈爾濱工業(yè)大學的研究者們利用串并聯(lián)機構設計并優(yōu)化了一種8自由度力覺交互裝置37等。3 虛擬手術訓練交互裝置存在的問題目前存在的虛擬手術力觸覺交互裝置中，不管是已商業(yè)化的力覺交互裝置，還是基于這些設備開發(fā)的力觸覺交互裝置，或是其它虛擬手術力觸覺交互裝置，大多數(shù)由電機驅動的主動力觸覺交互裝置，主動型力觸覺交互裝置用于虛擬手術時具有很大的靈活性，但存在著以下問題：（1）穩(wěn)定性相對較差。這主要是由電機或其它主動驅動器自身固有的特性造成的；（2）保真性相對較差。在模擬硬接觸如對牙齒或骨骼手術時電機處于堵轉

16、狀態(tài)易產(chǎn)生振動；人體肌體組織特別是內臟組織不是完全意義上的彈性體，在受壓、切割或針刺時是非線性的彈性形變，存在一定的粘滯性特征，主動交互裝置在對些肌體組織手術過程的模擬中容易產(chǎn)生失真；（3）存在一定的危險性，可能存在的系統(tǒng)失效會使操作者受到傷害，導致系統(tǒng)失效的因素有電機、放大器、傳感器等故障，也有可能是復雜控制算法中存在的未被發(fā)覺的程序錯誤，另一方面電機的反沖力也容易對操作者產(chǎn)生傷害；（4）體積較大，研究表明，產(chǎn)生相同大小的力，主動驅動器的體積要比被動驅動器大得多，由此造成驅動機構的慣量、摩擦力都比較大，也容易造成較大的失真；（5）能耗較大，一個電機驅動的小型商業(yè)化力反饋操縱桿對操作者施加連續(xù)

17、的力消耗功率達到1030瓦，而一個臺式的力交互設備消耗的能量將更多，因此需要配備外部電源適配器，使設備的便攜性大打折扣，這也是主動力覺交互設備設計中一個很大的問題。為此，美國達特茅斯學院matsuoka 等人利用磁粉制動器研發(fā)了一種6自由度被動式力交互裝置38，該交互裝置能夠保持較好的穩(wěn)定性、安全性和較低的能耗，但因為反饋力的產(chǎn)生完全依賴于機械接觸，所以當使用快速開關控制器控制時容易造成系統(tǒng)的振動，模擬肌體組織柔順性存在很大難度。更有甚者，摩擦材料具有比較高的動摩擦系數(shù)，容易導致粘滑現(xiàn)象發(fā)生，這種現(xiàn)象能夠造成反饋力的不連續(xù)，使模擬過程出現(xiàn)失真。磁流變液是一種具有發(fā)展前途和工程應用價值的新型智能

18、材料。性能良好的磁流變液在磁場的作用下能產(chǎn)生明顯的磁流變效應，即在液態(tài)和半固態(tài)之間進行快速可逆的轉化39，只要對施加于磁流變液上磁場精確控制并設計出相應的力傳動機構，將可應用于力觸覺交互裝置實現(xiàn)大范圍的力觸覺再現(xiàn)，因力是通過液體的傳動而更具穩(wěn)定性，因此能夠應用于虛擬手術力觸覺交互裝置實現(xiàn)肌體組織柔順性特征的高保真模擬。enzo pasquale scilingo等人已經(jīng)通過實驗驗證了磁流變液在不同強度的磁場作用下可以模擬不同肌體組織的柔順性40。意大利pisa 大學的研究學者們利用磁流變液設計出一個能夠模擬虛擬物體的形狀和柔順性的新型力觸覺交互裝置41。日本的teppei tsujita等人利

19、用磁流變液研究開發(fā)了用于實現(xiàn)對肌體軟組織切割再現(xiàn)的力觸覺交互設備42。被動式力覺交互裝置具有穩(wěn)定性好、安全性高以及體積小、重量輕、機械慣量小及能耗小等優(yōu)點，但無法模擬儲能物體如彈性體。盡管磁流變液能夠較好的模擬粘滯性物體，但人的肌體組織同時具有彈性和粘滯性，enzo pasquale scilingo等人使用磁流變液模擬的肌體柔順性與真實的肌體組織柔順性還存在著一定的差別。另外，利用被動驅動器設計的力觸覺交互設備存在一定的非有益綜合阻尼力，美國rutgers 大學的scott h winter 等人利用磁流變液設計的一種被動式力反饋數(shù)據(jù)手套，其摩擦力超過1n 43，被動力觸覺交互設備固有的不足

20、使得這些非有益綜合阻尼力無法得到補償，因此無法模擬小于其非有益綜合阻尼力的力，如在模擬無約束空間運動時產(chǎn)生失真。4 虛擬手術訓練交互裝置的發(fā)展趨勢利用主動驅動器補償被動力觸覺交互設備的非有益綜合阻尼力是一個較好的解決方案，也有效地解決了被動力觸覺交互裝置模擬儲能元件問題，因此，基于主/被動驅動器的力觸覺交互裝置能夠有效地提高力觸覺交互的保真度，為虛擬手術力觸覺交互技術開拓一片廣闊的研究空間。目前，有部分學者致力于主/被動混合驅動的虛擬手術力觸覺交互設備的研究，如瑞士的evren samur 等人利用電機/磁粉制動器系統(tǒng)用于結腸鏡檢查模擬，使觸覺交互裝置能夠在較大的力范圍內工作44，domini

21、que chapuis等人將超聲波電機與電流變液制動器混合制動器用于介入核磁共振力覺交互中45，reuben brewer利用電機/鋁-鋁差動摩擦機構混合驅動器設計一個3自由度力覺交互設備46。但不管是基于磁粉制動器還是鋁-鋁差動摩擦機構開發(fā)的混合驅動器，都因其是直接機械接觸而很難模擬肌體組織的柔順性。電流變液也是一種液體智能材料，其性能與磁流變液相似，但因電流變液的屈服應力比磁流變液小近兩個數(shù)量級，因此由其研制的力交互裝置能夠模擬的力范圍相對較小，并且電流變液的性能穩(wěn)定很差，目前還沒有商業(yè)化的產(chǎn)品，另外電流變液的流變效應需要施加很高強度的電場，這可能對操作者產(chǎn)生傷害，因此電流變液作為功能材料

22、應用于虛擬手術的力觸覺交互設備受到很大限制。在真正的手術中，將針刺入血管或用手術刀切開肌體組織時，肌體會產(chǎn)生阻力，訓練者正是從阻力中獲取“觸感”并積累經(jīng)驗，磁流變液作為一種優(yōu)秀的液體智能材料，在磁場作用下具有很大的屈服應力，并且因能夠精確控制其在液-固兩相之間快速轉換，所以基于磁流變液的被動力觸覺驅動器對于模擬肌體柔順性具有得天獨厚的優(yōu)勢，再將基于磁流變液的被動力觸覺驅動器與主動驅動器相結合，研制成主/被動混合驅動器，將使力觸覺交互設備在較大范圍內高保真地模擬對人體各種組織（包括硬組織和柔順性組織）手術過程，如利用主動驅動器補償磁流變液驅動器的非有益綜合阻尼力、模擬彈性物體和擴大被動驅動器力反

23、饋范圍，利用被動驅動器模擬肌體組織的柔順性和粘滯性等?；旌向寗悠髂軌蛴行У亟鉀Q主動驅動器或被動驅動器存在的一系列問題，如安全穩(wěn)定差、體積大、機構復雜、機械慣量和摩擦力大、能耗高及無法模擬彈性物體、無法補償非有益綜合阻尼力等問題，使得力觸覺交互設置更加透明并更具保真性，故基于混合驅動器的虛擬手術力觸覺交互裝置的研制具有重大的意義。另外，實際手術中，大部分手術過程需要雙手協(xié)作完成，目前的虛擬手術系統(tǒng)大多數(shù)采用單個力觸覺交互設備，亦即采用單手操作，而雙手協(xié)作操作更貼近實際，虛擬手術中基于雙手操作能使操作者感覺更真實，因此對采用不同結構、具有不同功能的力觸覺交互裝置實現(xiàn)操作者雙手協(xié)作完成虛擬手術的研究

24、具有重要的意義和應用前景。5 結論 綜上所述，基于虛擬現(xiàn)實的手術訓練系統(tǒng)為幫助外科醫(yī)生更多地參與手術訓練提供了較好的解決方案，力覺交互裝置在提高訓練效率和水平中起著關鍵性作用，目前用于手術訓練的力覺交互裝置得到了快速的發(fā)展，但仍然存在著許多問題，以基于液體智能材料與主動驅動器的混合驅動器開發(fā)手術訓練力覺交互裝置，能夠高保真地模擬對肌體組織的手術過程，將具有廣泛的應用前景。參考文獻1 于德棟, 沈國芳. 虛擬現(xiàn)實技術在手術培訓中的應用及展望j.中華口腔醫(yī)學研究雜志（電子版）, 2011, 5(5):538-5412 付玉錦采用仿真手術刀的虛擬外科手術關鍵技術研究d. 北京: 中國科學院自動化研究

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