[發(fā)明專(zhuān)利]虛擬外科手術(shù)模擬方法及其裝置

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310073343.6
• 申請(qǐng)日: 2013-03-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103106348A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-05-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 于洪波;沈國(guó)芳;劉炳凱
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院
• 主分類(lèi)號(hào): G06F19/00
• 分類(lèi)號(hào): G06F19/00;G09B23/28
• 代理公司: 上海翼勝專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 31218
• 代理人: 翟羽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及數(shù)字化醫(yī)學(xué)以及計(jì)算機(jī)輔助外科領(lǐng)域，尤其涉及一種進(jìn)行正頜虛擬手術(shù)的設(shè)計(jì)及模擬的虛擬外科手術(shù)模擬方法以及裝置。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的正頜手術(shù)設(shè)計(jì)及模擬是建立在頭影測(cè)量分析或計(jì)算機(jī)顱面輪廓圖二維平面基礎(chǔ)上的，存在解剖結(jié)構(gòu)重疊、信息丟失、二維數(shù)據(jù)不能完全反映三維結(jié)構(gòu)、診斷及手術(shù)方案制定困難，術(shù)后效果難以預(yù)測(cè)的缺點(diǎn)，尤其對(duì)于面部不對(duì)稱(chēng)及復(fù)雜畸形的患者。而現(xiàn)在臨床應(yīng)用的三維手術(shù)設(shè)計(jì)及模擬軟件，盡管實(shí)現(xiàn)了在三維重建模型上進(jìn)行操作，但是仍在傳統(tǒng)二維顯示屏上顯示，一定程度上限制了三維模擬顯示的效果和意義。

在醫(yī)學(xué)手術(shù)設(shè)計(jì)和仿真訓(xùn)練等方面，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有著不可替代的和令人鼓舞的應(yīng)用前景。很多學(xué)者嘗試進(jìn)行虛擬手術(shù)的研究，構(gòu)建顱頜面三維模型和力傳播模型（force?propagation?model,?FPM）模擬骨及軟組織的切割，剝離、定量移動(dòng)，部分實(shí)現(xiàn)了圖像及力的實(shí)時(shí)感知反饋，模擬了手術(shù)操作。但圖像及力觸覺(jué)反饋模型的構(gòu)建是一個(gè)技術(shù)難題，也是妨礙醫(yī)學(xué)虛擬技術(shù)發(fā)展的瓶頸。軟件開(kāi)發(fā)困難，計(jì)算量大，對(duì)硬件要求高，且模擬效果欠佳。

對(duì)虛擬外科手術(shù)而言，在CT數(shù)據(jù)重建出來(lái)的三維模型上進(jìn)行切割、截骨、位移等手術(shù)操作是此類(lèi)研究的難點(diǎn)。同時(shí)為了達(dá)到逼真、沉浸感強(qiáng)的虛擬手術(shù)效果，需要實(shí)現(xiàn)圖像及力觸覺(jué)的實(shí)時(shí)反饋。很多學(xué)者在此方面也進(jìn)行了大量的研究，探討圖像及力觸覺(jué)反饋模型的構(gòu)建及算法實(shí)現(xiàn)。但由于技術(shù)要求高，運(yùn)算復(fù)雜，缺乏一種理想的建模方法。現(xiàn)有技術(shù)方法主要存在開(kāi)發(fā)軟件復(fù)雜、運(yùn)算速度較慢，實(shí)時(shí)性較差；圖像變化難以模擬現(xiàn)實(shí)情況；力觸覺(jué)感知反饋難以實(shí)現(xiàn)等問(wèn)題。因此在虛擬技術(shù)三大核心要素（沉浸感、交互性、構(gòu)想性）上效果較差。同時(shí)由于軟硬件要求較高，也限制了虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)的應(yīng)用及推廣。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種虛擬外科手術(shù)模擬方法及其裝置，解決現(xiàn)有技術(shù)在虛擬技術(shù)三大核心要素：沉浸感、交互性、構(gòu)想性上效果較差，同時(shí)對(duì)于軟硬件要求較高的問(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種虛擬外科手術(shù)模擬方法，包括如下步驟：（1）對(duì)顱頜面進(jìn)行CT平掃獲取掃描數(shù)據(jù)；（2）利用計(jì)算機(jī)根據(jù)所述掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行骨組織的三維重建，并進(jìn)行模擬截骨操作建立顱頜面骨的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)模型；（3）操作者通過(guò)佩戴光譜分離立體眼鏡在虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)操作平臺(tái)上進(jìn)行骨塊三維空間任意視角觀察，輔助操作者進(jìn)行術(shù)前設(shè)計(jì)；（4）操作者通過(guò)佩戴數(shù)據(jù)手套在虛擬現(xiàn)實(shí)空間內(nèi)對(duì)所述顱頜面骨的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行骨塊三維空間旋轉(zhuǎn)和移位模擬，并通過(guò)一與所述計(jì)算機(jī)相連的觸覺(jué)反饋設(shè)備產(chǎn)生實(shí)時(shí)力反饋感知，輔助操作者進(jìn)行外科手術(shù)模擬。

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明還提供了一種虛擬外科手術(shù)模擬裝置，包括CT掃描設(shè)備、計(jì)算機(jī)、光譜分離立體眼鏡、數(shù)據(jù)手套、觸覺(jué)反饋設(shè)備以及虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)操作平臺(tái)；所述CT掃描設(shè)備用于對(duì)顱頜面進(jìn)行CT平掃獲取掃描數(shù)據(jù)，并將所述掃描數(shù)據(jù)輸入所述計(jì)算機(jī)；所述計(jì)算機(jī)用于根據(jù)所述掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行骨組織的三維重建，并進(jìn)行模擬截骨操作建立顱頜面骨的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)模型；操作者通過(guò)佩戴光譜分離立體眼鏡在虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)操作平臺(tái)上進(jìn)行骨塊三維空間任意視角觀察，輔助操作者進(jìn)行術(shù)前設(shè)計(jì)；操作者通過(guò)佩戴數(shù)據(jù)手套在虛擬現(xiàn)實(shí)空間內(nèi)對(duì)所述顱頜面骨的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行骨塊三維空間旋轉(zhuǎn)和移位模擬，并通過(guò)與所述計(jì)算機(jī)相連的觸覺(jué)反饋設(shè)備產(chǎn)生實(shí)時(shí)力反饋感知，輔助操作者進(jìn)行外科手術(shù)模擬。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：利用預(yù)先截骨構(gòu)造顱頜面骨“樹(shù)狀”結(jié)構(gòu)模型，在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)上進(jìn)行正頜手術(shù)設(shè)計(jì)、模擬及術(shù)后效果預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了顱頜面模型的虛擬顯示，可任意視角觀察，沉浸感強(qiáng)。手術(shù)模擬過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的圖像反饋及力、觸覺(jué)感知，交互性強(qiáng)。從視、觸覺(jué)感知上模擬了真實(shí)的手術(shù)操作，既可以行術(shù)前設(shè)計(jì)及手術(shù)規(guī)劃，又能夠手術(shù)模擬操作，滿足了手術(shù)教學(xué)及操作訓(xùn)練的需要。成功實(shí)現(xiàn)了正頜手術(shù)模擬，且簡(jiǎn)單、高效、易于操作，便于臨床推廣及普及，具有較高的應(yīng)用價(jià)值及意義。

附圖說(shuō)明

圖1，本發(fā)明所述虛擬外科手術(shù)模擬方法的具體實(shí)施方式的流程示意圖；?

圖2，本發(fā)明一實(shí)施例的顱頜面骨組織的三維重建模型效果圖；

圖3，本發(fā)明一實(shí)施例的模擬截骨操作效果圖；

圖4A-4C，本發(fā)明一實(shí)施例的虛擬環(huán)境下行正頜手術(shù)截骨移位模擬效果圖，其中圖4A為上頜骨Le?FortⅠ型截骨前移效果圖，圖4B為雙側(cè)下頜升支矢狀劈開(kāi)后退效果圖，圖4C為頦成形前移術(shù)效果圖；

圖5，本發(fā)明所述虛擬外科手術(shù)模擬裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式