[發明專利]一種具有真實力反饋的脊柱微創手術培訓系統及方法

有效

• 申請號: 201710281326.X
• 申請日: 2017-04-26
• 公開（公告）號: CN108804861B
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發明（設計）人: 韓建達;宋國立;劉曉壯;趙憶文;白華
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G09B23/28
• 分類號: G09B23/28;G09B9/00;G06F3/01;G06T7/33;G06T7/277;G06T7/593;G06T7/80;G06T17/00;G06T19/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 李巨智

本發明涉及一種具有真實力反饋的脊柱微創手術培訓系統及方法，包括實驗平臺、手術器械和PC機，所述實驗平臺包括設置于底面的操作平臺，在操作平臺的面板中部設置脊柱物理模型夾持結構，用于夾持脊柱物理模型；在脊柱物理模型的正上方垂直于操作平臺放置雙目攝像機；所述雙目攝像機通過雙目攝像機支架設置于操作平臺上，且通過電纜連接PC機；在所述手術器械的末端設置參考架。由于本發明的力反饋是真實的，可以給醫生帶來逼真的觸覺感受，大大縮短培訓醫生的時間；使培訓者多角度、多方位的觀察椎弓根螺釘的植入情況，給培訓者真實的視覺反饋，真正達到培訓的目的；并且滿足脊柱微創手術培訓系統高精度的要求。

技術領域

本發明涉及醫療培訓和計算機視覺領域，具體地說是一種具有真實力反饋的脊柱微創手術培訓系統及方法。

背景技術

當前國內外絕大多數虛擬仿真培訓系統主要是針對腹腔鏡和內窺鏡手術中軟組織切割和變形的模擬和培訓，對于骨組織的手術模擬和培訓，只有少量國外學者進行了相關方面的研究。例如，D.Morris等開發了一套適用于顳骨手術培訓的虛擬仿真系統。該系統集成了觸覺、視覺和聽覺等感官反饋，能夠對一些簡單的鉆孔操作進行模擬和培訓。Petersik等研究了一種基于多點碰撞檢測的力觸覺繪制算法，基于該算法他們所開發的巖骨手術仿真系統在鉆孔模擬時能夠提供非常逼真的振動感。J.Cordes等研發一套治療脊柱疾病的虛擬仿真培訓系統，通過人機交互界面和專家經驗等，該系統實現了對脊柱手術操作的仿真。

以上培訓系統存在一個共性的問題，無法向培訓者提供真實準確的力反饋，其主要原因是骨組織手術操作的力學模型比較復雜，不僅與骨密度、骨厚度等骨組織屬性有關，同時也會受到手術操作時切割速度、深度以及手術器械的微動頻率等因素的影響，所以很難建立骨組織力學仿真的物理模型。并且脊柱手術對精度的要求更為嚴格，螺釘植入的寬度只有10mm～15mm，稍有偏差就會損傷脊柱神經，造成不可逆的后果。所以在手術培訓系統中，獲得精確、逼真的力反饋至關重要，這也一直都是限制虛擬手術培訓系統質量提升的瓶頸所在。

現階段動態跟蹤算法無法同時滿足準確性、魯棒性、實時性要求。例如，傳統的結合kalman濾波的meanshift算法，雖較好的解決了目標遮擋和目標快速移動的問題，但是在目標運動方向突然變化時，魯棒性較差。結合傳統不變矩和kalman的跟蹤算法魯棒性較強，但是實時性比較差且不適合目標遮擋的情況。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種通過真實的手術器械和脊柱物理模型，結合仿射不變矩特征匹配和Kalman濾波的meanshift運動目標跟蹤算法，獲得真實的力反饋的脊柱微創手術培訓系統及方法，給培訓者提供更真實的手術體驗。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：

一種具有真實力反饋的脊柱微創手術培訓系統，包括實驗平臺、手術器械6和PC機，所述實驗平臺包括設置于底面的操作平臺1，在操作平臺1的面板中部設置脊柱物理模型夾持結構2，用于夾持脊柱物理模型3；在脊柱物理模型3的正上方垂直于操作平臺1放置雙目攝像機4；所述雙目攝像機4通過雙目攝像機支架5設置于操作平臺1上，且通過電纜連接PC機；在所述手術器械6的末端設置參考架7。

所述參考架7包括四個標志球和兩個橫梁，其中每個橫梁兩端設置兩個顏色相同的標志球，且兩個橫梁上的標志球顏色不同，每個標志球到參考架中心的距離均相同。

在所述操作平臺1上設置手術器械托架，用于放置手術器械6。

一種具有真實力反饋的脊柱微創手術培訓方法，包括以下步驟：

步驟1：采用基于平面的棋盤格標定算法對雙目攝像機進行標定，獲得攝像機坐標系與圖像像素坐標系之間的轉換關系；

步驟2：通過雙目攝像機對脊柱模型進行三維重建，獲得實際空間脊柱模型的局部點云；