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基于虚拟现实技术的宫腔镜操作培训器设计与应用 　　摘 要 目的 设计用于宫腔镜操作和教学的模拟培训装置，提高培训效果和质量。方法 利用计算机三维仿真技术建模结合器械实物模型设计出虚拟培训装置。结果 在2008年至2010年3年中，将每年参加培训的医师随机分为2组，每组各60名。实验组使用虚拟培训系统，对照组使用传统手术教学，未使用虚拟培训系统。所得结果经过统计学分析，实验组操作考核成绩显著优于对照组，p0.05，差异有统计学意义。结论 虚拟装置提供的操作感受逼真，使用模拟宫腔镜培训装置可大幅提高参加培训医师成绩和操作水平。 　　关键词 虚拟现实技术 仿真技术 临床教学 　　引 言 　　虚拟现实技术是利用计算机生成一种模拟环境，通过多种传感设备使用户沉浸到该环境中，实现用户与该环境自然交互的技术[1，2]。虚拟现实技术具有多感性、存在性、交互性、自主性特点[3～5]。目前与医学相关的虚拟现实应用主要包括仿真手术、虚拟内窥镜检查和模拟放射外科等。 　　1 虚拟现实技术在医学教学中的应用概述 　　虚拟医学手术仿真训练在与医学相关的虚拟技术中是难度较大的一种。在手术训练领域较前沿的是美国波士顿力学研究中心，他们采用的方法是利用偏振眼镜观看场景、虚拟手术器械模拟操作。在国内，大部分研究工作集中在对医学图像的三维重建及其可视化等基础技术方面，尤其在基于计算机图形学的医学图像三维可视化算法研究领域取得较大的成果。华中科技大学从2000年开始构建“虚拟人”，在人体器官虚拟建模方面取得很大进步。实现医学模型360°旋转和任意倍数的缩放，还可以自由观察模型的内部结构等。虚拟现实手术仿真训练是一种技术难度较大的应用。与其它虚拟现实技术应用相比，它要求虚拟产生多层次、多种形态、相联关系复杂的三维虚拟人体组织；人机交互性强，要求定位和反馈精确度高。如何利用虚拟技术设计出一种宫腔镜模拟培训装置来解决临床教学和培训的问题，成为亟待解决的难题。 　　笔者通过将原有的医学图片、物体，由二维图像转化为具有真实立体感的三维空间的模型，有效地解决医学模型不能旋转和缩放的瓶颈问题。再通过利用虚拟现实技术提供的三维模型，受训者使用软件时可以观察医学模型的立体全貌，就像在现实生活中观察事物一样，可以任意从各个方向和位置了解物体的特征和属性。当移动物体时，物体也能依据一定的自然规律作相应的动作和位置变化，真正地具备事物本生的生理属性，让受训者得到一种身临其境的真实感。 　　2 虚拟宫腔镜培训模拟器的设计 　　采用电子腔镜手术的器械实物模型，配合计算机多媒体技术和先进的图形三维重建算法，利用虚拟现实技术构建模拟训练装置。通过三维重建技术构建虚拟人体宫腔的立体模型，训练操作者的一些腹腔镜操作基本技术而非整个手术过程。为使模拟器下的操作更加接近临床实际手术，还可配套各种材料制作的手术训练模型，如子宫模型、子宫囊肿切除模型、宫腔模型等。这些模型都部分模拟手术实际情况，操作者可以在这些模型上完成相应手术，通过在这些模型上的训练，受训者可以很快适应和掌握这些手术。 　　2.1 模型的设计与制作 　　制作长、宽、高分别为35cm×35cm×30cm的训练箱（模拟人体腹腔，如图1）。按照临床手术方式在模拟人体腹腔上预留Trocar（穿刺锥）及摄影器械部位。模拟人体腹腔的上部为不透光的亚克力玻璃材质，其目的在于使操作者无法直接观察到操作，于模拟腹腔中放置普通光源作为腹腔镜之冷光源系统，该光源可调节并可照射不同的手术野。以普通摄像头代替腹腔镜CCD摄像头，固定于训练箱上，并与计算机之视频采集卡相连。通过视频采集软件以影像的形式出现在电视的屏幕上。练习者自预留之穿刺孔插入腹腔镜手术器械并可通过观看屏幕，完成相关手术技术的训练及操作（如图2、图3）。 　　2.2 三维仿真建模 　　2.2.1 建立宫腔的三维模型 通过Virtools5.0软件，对人体的宫腔模型进行重建，采集相关的CT、MRI数据，进行重建，然后将模型三维化，并植入开发的操作平台系统软件中。 　　2.2.2 设计手术器械的操作环境和相关模型 结合手术的要求和特点，对手术器械进行三维模型的建立，经过贴图后形成真实的可操作模型器械，然后通过专门的力反馈设备进行运动特征定义，使之与实际的操作器械运动位置联动，形成逼真的操作感受。当培训者在操作器械做宫腔镜模拟手术时，可以实时看到虚拟手术宫腔模型的变化和手术效果。 　　2.3 基本手术操作模型及常见手术模型的设计 　　宫腔镜外科手术之不同于传统外科手术在于其通过特殊器械经腹壁孔道间接地处理病灶，术者必须通过观看二维的显示屏来指导操作。不能直观地看，不能用手直接感知。这就要求术者要适应屏幕及熟练地通过腹腔镜手术器械来完成传统手术中用手来完成的操作。我们通过设计一定