[發明專利]一種用于模擬微創穿刺手術的方法及其系統

在審

• 申請號: 201611052043.X
• 申請日: 2016-11-24
• 公開（公告）號: CN106781941A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 楊健;王涌天;唐宋元;叢偉建;林彤
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G09B23/28
• 分類號: G09B23/28
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 王慶龍

技術領域

本發明涉及一種手術仿真技術領域，更具體地，涉及一種用于模擬微創穿刺手術的方法及用于模擬微創穿刺手術的系統。

背景技術

目前，微創手術相對于傳統手術僅對人體組織造成非常微小的創傷，這一技術可以顯著降低術后的恢復時間和死亡率。因此，微創手術及其相關輔助診療手段的研究成為當今醫療技術研究的熱點。為了提高微創手術的成功幾率，通常需要提前對手術進行模擬，手術仿真應需而生。

手術仿真的核心功能是由反饋交互體現的，系統通過輸入設備接收到用戶的操作，根據算法和模型計算出系統對操作的響應，然后通過輸出設備將響應結果反饋給用戶。目前大多數的虛擬力反饋手術系統只研究了虛擬組織的切割、變形、抓取和縫合的交互，但是不能模擬微創穿刺手術的力交互過程，這就導致現有的手術仿真系統無法訓練實驗操作者在微創穿刺手術過程中尋找手術切入點，而在微創穿刺手術中手術切入點是關乎手術成敗的關鍵，這就導致現有手術仿真系統無法滿足模擬微創穿刺手術的需要。并且，這種傳統的模擬手術系統，在穿刺實驗過程中無法觀察穿刺過程中病灶周圍重要血管分布情況，這就導致操作者在實驗過程中仍然采用傳統的二維平面圖像輔助訓練，難以達到手術仿真的目的。

為了使得用戶在進行手術仿真時有更好的沉浸感，通常會采用增強現實技術進行人機交互和反饋顯示。而現有的增強現實手術仿真系統主要側重對真實手術的模擬效果，因此，系統普遍具有設備體積龐大、成本高昂等特點，不利于增強現實手術仿真的推廣。故，開發輕量級的增強現實手術仿真系統，拓展臨床醫生手術訓練方式具有重要的現實意義。

發明內容

本發明提供一種可實現可視化觀察虛擬人體組織內部結構并提供實驗沉浸感強的微創穿刺手術的模擬訓練方法及用于模擬微創穿刺手術的系統，以解決現有模擬手術系統實驗沉浸感不強且不便于尋找手術切入點的缺陷。

根據本發明的一個方面，提供一種用于模擬微創穿刺手術的方法，其特征在于：其包括以下步驟，

步驟1，將人體組織與病變體的三維模型結合形成完整的病變人體三維組織模型；

步驟2，基于所述病變人體三維組織模型，構建具備生物力學特征的虛擬人體組織，并對所述虛擬人體組織進行表面半透明化處理；

步驟3，確認虛擬手術器械與虛擬人體組織發生碰撞，基于虛擬人體組織在接觸及穿刺過程中對虛擬手術器械反饋的作用力，對虛擬人體組織產生力學變形并輸出視覺反饋，輔助規劃手術路徑。

在上述方案的基礎上優選，步驟1中的人體組織和病變體的三維模型是通過導入CT掃描數據，在三維軟件中分別建模構建而成。

在上述方案的基礎上優選，步驟1中，將三維軟件中構建成的三維模型進行網格化處理。

在上述方案的基礎上優選，步驟2進一步包括：構建彈簧質點模型；并，基于彈簧質點模型建立力學約束方程，計算外部作用力作用在虛擬人體組織上產生的位移量。

在上述方案的基礎上優選，步驟2進一步包括：基于彈簧質點模型所構建的模型中，每一個質點受到一個外部作用力F_ext，根據形變的運動學方程，獲得F_ext的第一種表達方式為：

其中，m表示質點的質量，x表示質點的位移，t表示時間，D表示阻尼器的阻尼系數，K表示彈簧的彈性系數，F_ext表示該質點受到的外部作用力；

根據胡克定律和牛頓第二定律，F_ext的第二種表達方式為：

F_ext＝F_s+F_d+F_p (2)；

其中，F_s為質點所受到的彈簧彈力，F_d為質點受到的阻尼力，F_p為模擬的內部回復力；

結合公式(1)和公式(2)，計算出當前質點的位移量x，并將x至反饋在虛擬人體軟組織上。

在上述方案的基礎上優選，步驟3進一步包括：構建內部氣體分子力模型，利用克拉伯龍方程式計算出質點所受壓力，再通過壓強計算公式，獲得當前質點的內部回復力。

在上述方案的基礎上優選，步驟3中，虛擬人體組織在接觸過程中對虛擬手術器械反饋的作用力F，該作用力F表示形式為：

其中，F為觸覺反饋力，K為彈簧的剛度系數，D為阻尼器的阻尼系數，x為虛擬手術器械當前位置與表面接觸點之間的距離，即碰撞深度。