[發明專利]內窺鏡微創手術模擬訓練方法及其系統

有效

• 申請號: 201110200012.5
• 申請日: 2011-07-18
• 公開（公告）號: CN102254476A
• 公開（公告）日: 2011-11-23
• 發明（設計）人: 曾向陽;劉剛;黃建新;余佩武;錢鋒;鄭建惠;羅益民;劉歡;瞿友安;蔣正鋒;周衛;涂江耀
• 申請（專利權）人: 廣州賽寶聯睿信息科技有限公司
• 主分類號: G09B23/28
• 分類號: G09B23/28
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 楊曉松

技術領域

本發明涉及計算機仿真技術，特別涉及一種內窺鏡微創手術模擬訓練方法及其系統。

背景技術

內窺鏡微創手術模擬訓練系統主要通過3D平臺系統與操作臺交互，操作者通過監視器觀察虛擬手術環境待手術的器官及周邊組織的位置、形態、病灶等，在操作臺上操作手術器械，實現手術的模擬訓練。

專利號為200820030701.X的實用新型專利公開了一種“內窺鏡微創手術仿真系統”，包括手術器械模擬器、空間定位傳感器、數據采集及發送通信硬件、數據處理中心服務器，顯示裝置；空間定位傳感器固定于手術器械模擬器上，手術器械模擬器的空間位移經空間定位傳感器轉換成電信號，經過數據采集及發送通信硬件處理后發送至數據處理中心服務器，數據處理中心服務器對數據處理后產生三維仿真圖像送至顯示裝置顯示。這種仿真系統克服了現有技術內窺鏡手術訓練不夠真實，訓練效果不理想的缺陷，具有訓練逼真、功能多樣、成本低廉等優點。但該專利技術仍存在以下的缺點與不足：

1、沒有力反饋和虛擬觸覺效果，不能真實反映手術操作過程，仿真度有待提高。

2、該系統處理的是三維仿真圖像，而不是三維仿真圖形，這樣仿真效果不會很逼真，圖像是一整塊，圖形由點線面構成，能夠進行復雜的效果模擬。

3、不支持網絡訓練，不支持通過局域網或互聯網進行遠程訓練。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種可提供力反饋及虛擬觸覺效果，仿真度高，模擬訓練效果好的內窺鏡微創手術模擬訓練方法。

本發明的另一目的在于提供實現上述方法的內窺鏡微創手術模擬訓練系統。

本發明的目的通過下述技術方案實現：一種內窺鏡微創手術模擬訓練方法，包括下述步驟：

(一)內窺鏡微創手術醫學模型構建及編輯：根據人體組織器官解剖結構，利用各種醫學素材構造醫學模型，包括器官模型和器械模型，對醫學模型進行編輯處理，以獲得符合要求的模型。

(二)構建系統基礎組件庫：利用基礎算法，如euler，euler_ordered，runge，runge_4thorder，quasi，quasi_ordered，bogus，FSA，FSAF、perlin?noise等構建系統基礎組件庫。

(三)利用系統基礎組件庫構建核心算法，實現3D平臺系統核心功能，如：幾何模型和物理模型的構建、圖形渲染、碰撞檢測、力反饋、與操作臺的數據通信、和數據庫的數據交換等。

(四)構建醫學模型描述語言：在核心算法的基礎上通過腳本方式定義模型的幾何和物理屬性，實現程序和數據分離，便于系統維護和管理。

(五)調用醫學模型，構建醫學場景，模擬內窺鏡微創手術各種動作，包括抓取、切割、縫合、打結、上鈦夾、煙霧、流血等。

(六)利用操作臺驅動虛擬環境中的內窺鏡微創手術器械(包括夾鉗、超聲刀、電凝鉤等)，模擬各種操作(包括張開、閉合、剪切、縫合、打結)，將5個以上自由度(DOF，每個自由度對應一臺電機)的位置、狀態和機械動作轉換為電信號，通過數據接收和處理反饋信號驅動操作臺的操作桿輸出反饋力，實現力反饋和虛擬觸覺，使模擬訓練更加逼真。

步驟(一)中，所述醫學模型是指幾何模型，幾何模型是內窺鏡微創手術的基礎，一般來說，幾何模型的構建有兩種途徑：一種是自醫學圖像(MRI、CT等)或數字人(VHP)數據集等原始數據，然后通過專用工具(如開源工具VTK、ITK及基礎上開發的3DSlicer，或者商業工具如MIMCS、3Ddoctor等)進行醫學圖像的處理，包括圖像的預處理、分割、配準等，完成對象的幾何建模，主要方法有面重建等，面重建主要是按照給定閾值從三維體數據中抽取等值面，然后利用傳統的面繪制方法繪制此等值面。面重建方法主要有基于斷層輪廓線的表面重建、基于體素的等值面重建、幾何變形法；另一種就是通過3D建模軟件如3D?Max、Maya等來進行幾何模型的構建，然后導出為三角網格或四角網格數據。幾何模型的構建可采用兩種方法之一，或者兩種方法的綜合并加以封裝，與3D?Max、Maya等無縫連接。

醫學模型的編輯是將構建的幾何模型轉換為三角網格進行編輯，包括增加點、線、面，刪除點、線、面，修改模型的形狀等。按Mass-Spring、有限元等算法對場景進行重構和設置相關參數。