用于临床技能培养的口腔颅颌面数字化虚拟手术平台的建立与应用

张楚茜 回文宇 林艳萍 吴锦阳 陈士行 杨成帅 刘念 张勇 张诗雷

口腔颅颌面区域解剖结构复杂，手术操作要求精准、微创，需要进行大量的学习及操作训练[1]。传统的手术教学主要通过书本或多媒体的文字讲解、CT/MRI等影像数据及手术录像的展示，配合尸体头颅的解剖训练，但这种方式不够直观，缺乏沉浸感，且尸头解剖成本较高，手术操作无法重复[2]，更无法多次进行手术模拟及规划。同时，口腔颅颌面手术多在口腔内进行，或采用局部的微小切口，视野狭窄，手术教学难度较高。与传统的教学方法相比，基于虚拟现实（Virtual Reality，VR）的手术平台可反复多次虚拟解剖，且视野清晰，是更加有效的教学方式[3-4]。

我们针对口腔颅颌面科手术操作复杂、教学难度较大的特点，自主研发了适用于医学生及青年口腔颅颌面外科医生的手术培训软件CMF Robot Plan，并对20名上海交通大学口腔医学院的实习学生及青年医师进行了手术模拟的教学及操作培训，取得了良好的教学成果，具体报道如下。

1 材料与方法

1.1 建立口腔颅颌面外科虚拟手术平台并验证精度

口腔颅颌面外科虚拟手术系统主要包括医学图像的处理、手术器械的可视化及外科手术的虚拟与仿真三部分。在软件建立完成后，与广泛应用于临床的商业化软件 SimPlant 11.04（Materialise公司，比利时）进行对比，验证其精度。

1.1.1 医学影像数据的处理及三维建模

医学图像的处理及三维重建是虚拟手术实现的基础，本研究采集正常人的全头颅CT（64层螺旋CT，层厚1.25 mm，颅顶-舌骨水平），利用MC（Marching Cubes）面绘制算法，结合渐近线判别法，生成相应组织的三角面片模型，对三角面片网格模型进一步进行光照渲染，即可得到满足口腔颅颌面外科虚拟手术软件需要的三维几何模型（图1）。

图1 CT数据三维重建的光照渲染显示Fig.1 Light rendering of 3D reconstruction of CT data

1.1.2 手术器械的可视化

为了更加真实地模拟手术，就需要在虚拟手术平台上实现手术器械的可视化，通常用于手术操作的器械有来复锯、钻针及磨头等。

选取口腔颅颌面外科截骨切割所用的锯片、钻针等，置于天远三维扫描仪 OKIO-Ⅱ下进行非接触式扫描，测量精度0.02 mm，获取手术器械的点云数据，运用反求构建法实现器械的三维重建，导出为STL格式文件，即可被软件识别（图2）。进行虚拟手术操作时，可根据不同的术式选择导入不同的手术器械，模拟真实的手术环境。

图2 手术器械可视化的建立Fig.2 Establishment of surgical instrument's visualization

1.1.3 外科手术的虚拟与仿真

根据口腔颅颌面外科手术的具体临床操作，进行常用术式的模块设计，包括颌骨肿瘤的切除、正颌手术及种植手术等。要完成这些手术需要实现场景视角的转换与放大缩小、手术区域的分割、颌骨的移动等功能。

通过在虚拟手术软件中建立模型坐标系、世界坐标系、观察坐标系及屏幕坐标系之间的矩阵转换，以实现选中区域的视图调整，即视角的切换与缩放。根据病变的范围及解剖标志选取操作区域，通过切割功能模拟截骨、肿瘤分离（图3）等，分割结束后，可对任意区域进行旋转、移动及移除等操作（图4）。

图3 下颌骨肿瘤切除手术模拟Fig.3 Simulation of mandibular tumor resection surgery

图4 上颌骨LefortⅠ型截骨模拟示意Fig.4 Simulation of the LefortⅠosteotomy of the maxillary

1.1.4 口腔颅颌面外科虚拟手术系统的精度验证

此部分将CMF Robot Plan与商业化软件Sim-Plant 11.04（Materialise公司，比利时）进行对比精度验证，测量的结果通过统计学分析检验，对软件在二维线距和角度测量的一致性进行分析。

选取10例颌骨畸形患者的CT数据导入CMF Robot Plan及SimPlant 11.04虚拟手术软件中，在头颅CT侧位断层面选取鼻根点N、蝶鞍中心点S、上齿槽座点A，测量NA两点之间的距离及SNA角度，以t代表 CMF Robot Plan测量组，r代表Sim-Plant 11.04测量组，利用统计学软件 SPSS对两组数据（表1）进行组内相关系数检验、差值正态性检验及Bland-Altman统计分析。

1.2 虚拟手术手术教学及操作培训

选择20名上海交通大学口腔医学院实习学生或刚进入专科医师培训基地的年轻医生进行手术模拟的教学及操作培训。教学分为两组进行，10人一组，由两名经验丰富的高级职称颅颌面外科专家进行手术模拟的教学讲解及示范操作。操作分为4组进行，每组5人，每组均有两名已经过软件培训、操作熟练的外科医生进行现场指导。每位学员都在虚拟手术平台进行从模型三维重建到模拟截骨、移动一系列的操作流程，操作分为颌骨肿瘤切除、Le FortⅠ型截骨、双侧下颌骨矢状劈开、颏成型手术4个模块。操作完成后，由两位专家对受训医师的手术方案进行评估，分析不足的原因，经多次实践后达到手术模拟训练的目的。

表1 实验组与对照组的测量数据Table 1 The measurement data of experimental group and control group

2 结果

我们自主研发了虚拟手术软件CMF Robot Plan，并获得了计算机软件著作权 （登记号：2018SR229646）。与广泛应用于临床的商业化软件SimPlant 11.04进行精度一致性验证，线距及角度的误差分析显示，所有点都在95%的一致线内，两者在线距、角度的测量功能上一致性较好（图5）。

图6 误差分析图Fig.6 Error analysis chart

该软件为医学生及青年医生提供了一个仿真的手术环境，基本满足口腔颅颌面外科常用手术的模拟，操作简便，能实现对受训者手术规划的教学及培训。受训的20名实习学生或青年医生经过简单的培训后，均能顺利进行系统的操作，对教学术式的理解及操作熟练度均有所提升。

3 讨论

对学习者的临床技能培训是保证医疗质量的重要环节。口腔颅颌面部区域分布有大量重要的血管、神经网络，且面部手术对美观的要求较高，由于操作不熟练或缺乏经验造成的医疗差错会对患者的功能及心理造成严重的创伤。美国每年因医疗失误导致的死亡人数为44 000～94 000，而大部分医疗失误是因创伤性的人为因素引起的[5]。2013年，世界卫生组织估计全球约有1 740万医疗专业人员短缺，传统的教学模式效率低下、资源浪费较多，已不足以向所有学习者提供统一的、高质量的医疗培训[6-7]。

数字化教学是通过数字技术进行教学和学习的行为，在培训时间和地点上有较大的灵活性，可涵盖更多的受众，且可重复性较高[7]。虚拟现实即是数字化教学的手段之一，是一种允许用户实时探索和操纵计算机生成的三维多媒体感知环境的技术[8]。近年来，虚拟现实技术已经逐渐应用于医学领域，其中主要用于外科手术的培训。

在口腔颅颌面外科领域，已有研究聚焦于虚拟手术教学及模拟训练方面。Sohmura等[9]运用虚拟手术设备模拟了正颌外科的骨切割，该装置允许外科医生在手术前进行训练以提升手术的熟练度；Pohlenz等[10]设计了一种适用于牙科手术的模拟器Voxel-Man，并让53名学生进行了根尖切除手术模拟训练，表明模拟器的力反馈系统、三维图像感知等对牙科手术的学习是有效的；Pulijala等[11]开发并验证了一种沉浸式虚拟现实Le FortⅠ截骨术训练工具，证实该系统可以较好地满足临床医生的手术教学需要，使学习者快速、直观地学习解剖结构。以上研究均表明了虚拟手术平台在口腔颅颌面外科教学和训练中的积极作用。但上述的虚拟手术系统大部分只对应单一的手术模式，无法满足多变的手术需求，且不具备手术规划功能，商业化软件（如Surgicase、Proplan等）部分功能端口不开放，费用昂贵，无法满足大规模临床技能培训的需求。

本研究自主研发了一套包含多种手术操作的口腔颅颌面外科虚拟手术模拟软件CMF Robot Plan，该软件具有开放式端口，可以整合于其他系统（如手术机器人等），有较为广泛的临床应用范围。我们利用该软件对20名青年医生或实习生进行了手术模拟培训。这些受训者均没有真正的手术经验，仅进行了软件培训和虚拟手术练习。从反馈的信息发现，该软件可帮助受训者精准诊断、熟悉手术方式并进行手术效果的预判，为外科手术的初学者提供了良好的教学体验。与传统的教学方法相比，利用虚拟手术平台进行教学更有沉浸感和交互性，且可以针对每次实践发现的问题和感兴趣的手术类型进行反复练习，多数认为手术模拟训练对提升手术规划能力及临床技能是有益的，这与多数的报道相符[10，12-14]。

虽然本研究已显示了一定的教学应用效果，但存在以下问题：①虚拟手术软件CMF Robot Plan与国外运用于口腔颅颌面外科的商业化虚拟手术软件相比，功能模块尚显不足，仅具备简单手术的模拟功能，无法将腓骨、肋骨等stl文件导入软件进行精确的修复重建手术规划；②软件可选择的手术器械有限，与实际手术所用的器械还有较大的差别，对学员熟悉及选择实际手术中的器械帮助有限；③无法在三维立体空间上进行三维线距、角度的测量，且精度还有待进一步验证；④教学实验比较简单，要进一步证明虚拟手术平台的有效性还需更为严谨的实验。

综上所述，本研究自主研发的虚拟手术软件CMF Robot Plan已具备了对口腔颅颌面外科基本手术操作的模拟规划及教学功能，并初步证明了虚拟现实技术在临床技能培训中的有效性。虚拟现实手术培训解放了传统教学对地点的限制，缩短了教学时间，可提供实时反馈，针对不足可反复练习。在今后的研究中，可以逐渐完善虚拟手术平台的各项功能，并进一步评估其在手术教学中的作用，有望将之纳入常规外科培训课程中，有较好的应用前景。