可视耳模拟器在颞骨解剖虚拟训练中的应用

黄孝文 余洋 周良强 Sorensen MS Mosegaard J Noe K Mikkelsen PT

·技术与方法·

可视耳模拟器在颞骨解剖虚拟训练中的应用

黄孝文1余洋1周良强1Sorensen MS2Mosegaard J3Noe K3Mikkelsen PT3

众所周知，颞骨空间构造复杂，其内部精细结构与面神经、中后颅底以及颈内动静脉等有着十分密切的关系。为了安全有效地施行手术和不断提高手术技能，耳外科医生必须熟知正常颞骨内部的解剖结构及其相互关系，并且要在真实的解剖环境中进行手术操作模拟练习。人类颞骨标本无疑是解剖手术训练最好的模型，但由于各种原因，目前在全世界范围内可用于该目的的人类颞骨资源十分有限，远不能满足耳外科教学与训练的需求，许多耳科医师也不能参加实体颞骨的解剖与手术训练［1］。随着数字成像技术和虚拟现实技术的进步，近年来世界各国相继出现了一些计算机虚拟的交互式颞骨模型，为颞骨解剖教学与手术训练提供了新的辅助工具［2，3］。但是，由于这类模型大多是以临床CT或者MR影像数据为基础建立起来的，它们普遍存在某些不足，例如，除了组织缺乏自然的色彩和纹理、不能分辨软组织成份之外，由临床影像重建而得的三维影像分辨率平均仅8～25体素／mm3，最高不超过50体素／mm3，因此，图像质量较差；此外，这类模拟器软件的使用受制于苛刻的条件，而且还必须配置昂贵的硬件，如：整合有触觉交互设备的模拟器平台、高级立体目镜、脚踏开关、镜像投射屏甚至特制计算机等，才能进行模拟手术操作；这些缺陷显然限制了这类虚拟模型在颞骨手术训练中的广泛应用［］。

哥本哈根大学Rigs医院的Sorensen教授和奥尔胡斯Alexandra研究所的Mikkelsen工程师等于近年设计开发出一种新颖的颞骨解剖手术模拟器，其主要研发方法和步骤为：首先用一位85岁女性新鲜尸体的正常颞骨标本，在CT扫描后作连续冰冻切片，用单张拍摄像机记录数字图像，经过色彩校正、微分裁剪等处理后对所有的图像重新取样，分别储存为JPEG文件和相应的三维图像，由此获得整套高质量的人类颞骨断层数字影像，即可视耳数字影像库（the visible ear digital image library）［5］；在此基础上，应用计算机相关技术将该影像库转换成为具有自然色彩和高分辨率（可达125体素／mm3）的平面和立体仿真影像；最后再借助高级显卡（如GeForce 8800 GTX）功能，在标准双核个人计算机上对该影像库实现可视化和人库（人机）交互操作，制成“可视耳模拟器”（the visible ear simulator，VES），即VES软件［6］。该项目由丹麦奥迪康科学研究基金会资助开发，早在2008年就已正式推出了第一版软件。目前全球用户都可从国际互联网上免费下载、安装、使用和不定期升级VES软件，而且使用该软件要求的计算机特殊外部设备（如触力交互设备）的价格明显低于其它同类模拟系统，因此便于全球广泛传播和使用。

1 使用VES的步骤和方法 自主页下载VES软件（64bit触觉版），并认真阅读其使用指南。按照使用指南的说明，在配置符合要求的个人计算机上安装、运行VES软件，同时安装、连接、校准PHANTOM（R）OmniTM触力交互设备（美国Sens Able公司），然后逐一熟悉软件操作程序和各种设置的功能意义与参数调整方法。

按需要调整渲染图像的某些视觉设置（visual setting）的参数，如骨透明度（transparency）与不透明度（opacity）值等，配合或单独使用切面位置（clip plane position）选项，透视观察或断层查看颞骨内部结构及其关系（图1、2），为解剖手术练习作准备。

图1 从中颅窝面透视观察面神经、上半规管、耳蜗、听小骨的相互关系

图2 从外侧面断层加透视观察中内耳结构和面神经及颈动静脉的关系

图3 按图文辅导的指引（左侧线条）和操作区的颜色提示（右侧线条）逐步进行乳突切除手术

图4 解剖和识别面神经的重要定位标志——二腹肌嵴

2 应用VES模拟颞骨解剖及手术 按照使用指南导引的步骤反复进行以下练习。

2.1 借助虚拟工具解剖颞骨 在触觉模式（haptic mode）下设置和选定虚拟电钻后，以PHANTOM（R）OmniTM设备控制钻头进行操作。选用系统整合的辅导员（tutor）功能，按其分步操作的文字、图像和颜色提示，或者参照自You Tube网站下载的整套规范操作视频（熟练后不需再使用这些辅导选项），逐步、系统地进行颞骨解剖练习，如：乳突气房切除、鼓窦上鼓室切开、乙状窦及中后颅窝脑膜轮廓化、面神经定位标志识别、面神经全程轮廓化、面隐窝切开、圆窗龛及鼓岬与鼓阶关系探查、颈静脉球暴露、半规管蓝线化及切除、经迷路内听道开放等。使用tutor时同时启用其中的督查评估（evaluation）功能对每一步操作的工作量和重要结构的损伤情况进行实时统计和量化评价。

2.2 模拟各种中耳、内耳手术径路 在解剖练习的基础上，模拟各种常用的耳手术（径路），如：单纯或扩大、关闭或开放式乳突手术、Bondy手术、鼓室成形术联合径路的改良术式、面神经探查、内淋巴囊手术径路、耳硬化症手术径路、耳蜗植入手术径路、后鼓室切开及耳蜗切开、小脑脑桥角手术的经迷路径路、经外耳道上鼓室鼓窦切开手术等（图3～8）。

图5 识别砧骨窝、面神经乳突段和鼓索神经，磨除以它们为边界的面隐窝后外侧壁骨质

图6 于乙状窦前内和后半规管后下方暴露内淋巴囊

图7 断面查看经后鼓室切开于圆窗龛前缘切开耳蜗

图8 经外耳道开放上鼓室和鼓窦，暴露锤骨和砧骨

术中操作涉及面神经、大血管、内耳和脑膜等结构时，配合使用可视导航（调整visual settings参数）、断层查看（调节clipping plane position）、自动警示（show warning）以及撤销操作（undo drilling）等功能，预览重要结构的位置与行径、预测钻磨结果、纠正不当操作，以练习规范、正确的颞骨钻磨方法，避免重要结构损伤。练习时随时切换至立体影像（toggle stereo graphics）模式并佩戴红蓝双色立体眼镜，及时了解术野解剖结构的立体空间关系，以便调整和优化手术操作。此外，术中还可随时使用系统的帧取样（frame grabbing）功能和FRAPS软件，保存有意义的屏幕截图和操作视频，以备复习和进一步研讨。

3 VES软件特点 为了解VES在颞骨解剖虚拟训练中的实际应用效果，同济医院耳鼻咽喉头颈外科近期操作、体验了该模拟器的可视化和人机交互两大功能，发现VES渲染的二维和三维影像色彩自然柔和，图中结构高度保真且清晰可辨，立体感极强；虚拟电钻触力反馈生动流畅，骨质钻磨操作高度仿真；借助触力交互设备控制的虚拟工具，可以很顺利地进行颞骨解剖和常规颞骨手术（径路）项目的练习，在立体模式下的手术过程犹如实体解剖，有身临其境之感。

作为一种虚拟的解剖手术模拟系统，VES可在一定程度上补充和完善实体颞骨解剖的作用，其具有以下特点：①系统软件方便易得，可随时随地从国际互联网免费下载、安装及运行。近期本文作者已经完成VES软件的汉化和VES使用指南的汉译，更方便了广大中文用户的使用；②使用不受场地、时间和次数限制，在办公室或家庭任一具备必要配置的个人计算机上都可以无限次反复使用，无需参加特定训练课程，或者在特定实验室进行“一次性”颞骨标本解剖；③无需电钻和显微镜等昂贵设备；④应用系统的可视化功能，尤其在立体影像模式下，可以在任意基线的任意层面或者从任意角度对颞骨在体的内部结构进行透视和剖面观察，有助于全方位了解其空间关系；⑤术中如遇虚拟钻头接触或损伤重要结构，系统有自动警示功能，而且术者还可以随时利用可视导航或断层查看等功能，预览重要结构和评估钻磨结果，以纠正不当操作，避免重要结构的损伤，有助于受训者培养良好的操作习惯和提高关键操作的准确性；⑥系统配套的全套规范操作录像（可从Youtube或者Youku网站下载）和整合的图文导师模块可以引导初学者逐步练习规范的乳突切除及轮廓化手术，还可以对术者每一步操作的完成时间、磨骨容积、撤销操作的时长以及发生重要结构损伤的次数等进行实时统计和量化评价，有利于改进和完善手术操作。保存同一术者每次手术的评价数据用作前后比较，可以了解该受训者颞骨钻磨操作技能的进步和改善情况；⑦随时保存的高质量屏幕截图和操作视频用于复习和讨论，有助于进一步夯实解剖基础和巩固训练效果。

总之，丹麦VES具有卓越的可视化和人机交互性能，是一种新颖的虚拟现实的颞骨解剖模拟系统。它既能高保真地再现外科解剖环境，可被用作高仿真的解剖手术模型，又能对手术操作进行指引、导航、警示、纠错和评价。使用VES进行虚拟训练，可以获得与实体颞骨解剖相似的效果，既可以巩固颞骨外科解剖学知识，加深对临床耳手术原理和径路的理解，也有助于对颞骨CT影像的准确解读，同时又可以练习掌握正确手术方法、改进骨钻磨技术和避免重要结构损伤，进而为临床耳科手术奠定解剖和操作基础。在青年耳科医师的颞骨解剖训练中VES无疑具有独特的应用价值。

（致谢：衷心感谢哥本哈根大学Gentofte医院Stangerup S.E.教授和Foghsgaard S.医师为作者的VES体验提供的热情帮助！）

1 George AP，De R.Review of temporal bone dissection teaching：how it was，is and will be［J］.J Laryngol Otol，2010，124：119.

2 Chan S，Li P，Lee DH，et al.A virtual surgical environment for rehearsal of tympanomastoidectomy［J］.Stud Health Technol Inform，2011，163：112.

3 谢文，张强，孔维佳，等.基于分布式虚拟现实技术的耳显微手术仿真系统［J］.中国医疗器械杂志，2010，34：183.

4 Sorensen MS，Mosegaard J，Trier P.The visible ear simulator：a public PC application for GPU-ccelerated haptic 3D simulation of ear surgery based on the visible ear data［J］.Otology＆Neurotology，2009，30：484.

5 Sørensen MS，Dobrzeniecki AB，Larsen P，et al.The visible ear：a digital image library of the temporal bone［J］.ORL J Otorhinolaryngol Relat Spec，2002，64：378.

6 Trier P，Noe KØ，SØrensen MS，et al.The visible ear surgery simulator［J］.Stud Health Technol Inform，2008，132：523.

（2013-01-21收稿）

（本文编辑 周涛）

10.3969／j.issn.1006-7299.2013.04.022

时间：2013-7-3 16：57

R764.9

A

1006-7299（2013）04-0400-03

1 华中科技大学同济医学院附属同济医院耳鼻咽喉头颈外科（武汉430030）； 2 哥本哈根大学Rigs医院耳鼻咽喉头颈外科；3 Alexandra研究所

余洋（Email：yuyang＠tjh.tjmu.edu.cn）

网络出版地址：http：／／www.cnki.net／kcms／detail／42.1391.R.20130703.1657.016.html