软组织形变建模在虚拟手术中的应用进展

2017-6-26 16:06  来源:中国口腔颌面外科杂志
作者:林雨恒 沈国芳 于洪波 阅读量:24720

    虚拟现实(virtual reality,VR)技术通过其独具的沉浸感、交互性以及想象性,在医学领域发挥着越来越重要的作用。基于VR技术的虚拟手术系统可为操作者模拟出近似真实的手术操作环境,基本实现器官组织的几何物理模型模拟、碰撞检测、实时形变、外科真实感渲染等功能。

    在虚拟手术的众多研究中,软组织形变建模是其核心。由于生物软组织通常表现为不均匀性、各向异性、准不可压缩性、非线性、塑性、黏弹性等材料性质,因此建立高仿真度的软组织物理模型一直是国内外研究的难点。在医学模拟与计算机图形领域,根据不同的物理模型,常把形变模型划分为质点弹簧模型(mass spring model,MSM)、变形样条及体积模型。其中,体积模型又包括有限元模型(finite element methods,FEM)和边界元模型(boundary element methods,BEM)。而对于软组织的形变建模,有限元法和质点弹簧模型最为常用。本文就基于虚拟现实技术的软组织建模常用方法的研究进展综述如下。

    1.有限元模型

    有限元模型(FEM)能够预测形变物体的机械响应,作为一种极具吸引力的建模方式,被广泛用于手术仿真。其在口腔医学领域的应用研究包括通过建立三维有限元模型,对颌骨、牙体、牙槽骨等硬组织进行形态及生物力学分析,如牙体牙髓病学领域根管治疗过程的器械应力与根管形态分析,口腔修复学领域义齿的受力变化与应力分析,口腔正畸学领域在矫治器的正畸作用力下硬组织的建模与生物力学分析,口腔颌面外科领域上、下颌骨受力的模拟等。除以上集中于对硬组织的建模外,目前,在人体软组织建模方面,学者们使用有限元模型也进行了大量研究。FEM方法已经被用于软组织形变解剖仿真、手术模拟、术后预测及医疗教学等各方面。

    1.1软组织形变解剖模拟

    运用FEM方法,可以相对精确地实现对软组织解剖结构的仿真模拟及形变,更加深入地理解疾病的发生与发展。Pelteret等对舌和周围肌群等其他上呼吸道组织的解剖结构进行建模,并且捕获及记录相关解剖结构的运动步骤,分析舌体内部的应力分布,以研究阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome,OSAHS)的病理生理学基础。Kim等通过建立头颈有限元模型,辅助放射性肿瘤患者的形变图像的配准。其不足是,颅骨的几何形貌被简化为一个整体,可能对力和位移传播到周围组织产生微小影响。

    近年来,基于图形处理单元(GPU)的FEM也同样得到了发展。Han等建立了基于GPU的有限元求解器,使个性化的乳房形变模型得以快速生成,并模拟分析了乳房挤压的形变实验。在生物参数的利用方面,Flynn等首次将人体皮肤固有张力纳入模型中,较好地体现了皮肤和皮下组织的各向异性及多层特征。但在其研究中,皮肤、皮下组织及骨骼三者之间的联系被简化,需要通过相关实验获取更多精确的面部肌肉参数,此种方法也忽略了人体皮肤的黏弹性特点。

    1.2虚拟现实手术

    模拟有限元方法的参数易于调节,方便给对象施加各种属性,能够为医疗培训及术前计划提供逼真的实时虚拟场景及触觉反馈。Marescaux等利用线弹性理论,较早进行了肝脏的切割、形变和力反馈模拟。随后,人们通过不断增加对软组织生物力学特性的实验研究,使有限元建模方法得到了丰富和完善。目前,通过FEM方法已成功进行了手术的部分模拟。Idkaidek等与Mendizabal等使用商用有限元软件Abaqus,分别对猪肝在器械作用下的形变和脑组织在剪切力下的相关变化进行了模拟。Mangado等提出了能够自动生成个性化解剖学耳蜗精确模型的架构,并模拟人工耳蜗植入。

    1.3手术结果预测

    有限元模型同样有望被用于术后结果预测。在颅颌面外科,一个精确的手术计划及预测常常需要在模拟截骨的同时,模拟软组织的变化。对此,Zhang等采取一种半自动化建模方法—eFace-template法。通过使用标记点约束表面形变,较为高效地生成个性化面部软组织模型。但此种方法未能对面部软组织中未附着于骨骼或牙的某些区域的形变进行准确模拟,如唇部和颊部。在整形与重建外科领域,虽然数字化图像处理能够在一定程度上使预期结果可视化,但临床上仍然缺乏前瞻性评估鼻骨相关结构的长期变化的方法,医师通常通过经验判断鼻整形的远期效果。Tjoa等使用有限元方法计算建模,成功模拟了鼻中隔分离出软骨的术后倒V畸形。FEM方法在处理切割等操作时需要网络拓扑结构不断重新组合,在物体形变过程中,运算量大,实时性较差。因此还需要对模型进行优化,甚至配合其他快速的物理形变模型,组成最优化的混合模型。

    2.质点弹簧模型

    由于质点弹簧模型(MSM)计算简单,对于生物软组织的拓扑结构的适应性好,复杂程度较低,使其被广泛用于软组织如形变、切割、缝合等各种虚拟仿真。作为最早提出的物理模型,质点弹簧模型也是一种较为经典的形变模型。自Terzopoulos和Waters较早采用质点弹簧模型用于人面部软组织建模以来,即不断有学者将其用于软组织的虚拟仿真中。

    2.1软组织形变预测

    使用质点弹簧模型方法,能够为生物软组织的手术形变预测提供一个较为理想的效果。在口腔颌面外科领域,SanVicente等认为,以往的MSM系统的主要不足在于,获得相对具有代表性的生物软组织参数较为困难。因此,其将Lloyd等提出的方法进行了优化扩展,并研究了软组织在骨骼切割发生时的边界条件,优化了用于术后面型预测仿真的建模策略。为了更好实现对正颌术后患者外形的预测,Ullah等评估使用3dMDVultus预测上颌骨LeFortI型截骨术后软组织三维变化的精确度。对13例患者进行回顾分析,通过术前及术后6个月的锥形束CT(CBCT),使用3d MDVultus定位术前颌骨位置,生成对软组织的预测,认为使用质点弹簧模型预测上、下唇和颏部的效果较好,而其对鼻腔、鼻窦区的预测结果有待提高;而鼻及左右鼻孔、鼻旁区使用质点张量模型更为精确。

    鉴于颌骨解剖的复杂性及不同层次区域的软组织的特性,使用不同的建模方法也许是必要的。为评价质点弹簧模型在软组织形变模拟中的效果,Zhang等采用相同外力作用于MSM与FEM建立的动脉壁模型,比较形变结果,发现其模拟形变非常接近FEM模型。而Basafa等对传统的MSM方法也进行了优化改进,使其能够逼真地模拟复杂的生物软组织的力学特性,在腹腔镜手术模拟中可产生较为理想的效果。

    2.2手术操作的实时模拟

    在针对虚拟缝合的研究中,基本上能够通过质点弹簧模型建立初步的缝合模型,但其在不平整的缝合段易变得不稳定。Brown等将缝合模拟为刚性连接,通过使用改良算法配置缝合运动。该方法虽然易实现快速计算,但却没有模拟相关的力,因此不能用于触觉渲染。Lenior等将缝合模拟为样条模型,但会产生不合理的形变。由于各种建模方法各具优缺点,迄今为止尚无一种能够真正实现高仿真度、高精度的实时快速模拟的模型。因此,也有部分学者倾向于使用混合方法建立模型。

    Zhang等采用混合弹性模型以模拟实时切割及缝合。所使用的混合弹性模型由质点弹簧模型和骨架结构组成,用于加速计算。在切割和缝合的第1阶段,将组织表现出的阻力建模为表面张力,当工具移动进入组织后,模拟器械及组织之间产生的摩擦力。而Zhu等则使用边界元模型计算器官的整体形变,并使用质点弹簧模型,模拟组织在交互过程中的动态行为。

    3.展望

    在过去的几十年,世界范围内已开发出基于虚拟现实技术的数个手术模拟系统,涵盖面部整形、白内障手术、神经外科、膝关节手术、腹腔镜、宫腔镜等众多领域。学者们开发了多种计算物理学方法用于虚拟手术建模,以求在软组织和器械间的碰撞检测、组织对器械作用下的形变响应、切割缝合等外科操作上达到逼真的交互。而对于虚拟手术系统的核心,软组织的形变建模一直是国内外学者研究的难题。虽然现有的研究已能够完成对软组织的基本建模,但仍存在不同程度的精度较低、组织层面单一、缺乏生物学特性、难以实现实时交互模拟等诸多缺点,有待进一步改善及解决,以期真正建立具有人体解剖学及生物力学特性的、多组织共存的、实时可变的软组织生物力学模型,实现图像反馈和力、触觉感知的手术模拟。

    总而言之,随着相关技术的研究及应用推广,充分分析及利用多种建模方式的优点,优化存在的不足,最终实现虚拟手术中软、硬组织的切割模拟和图像及力、触觉的实时反馈,无论对于术前设计、术后预测,还是医师的操作训练、技能培训等,都具有极大的经济价值及社会效益。

编辑: 陆美凤

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