[發明專利]一種基于術中數據的經皮腎鏡取石虛擬手術系統

在審

• 申請號: 201810387825.1
• 申請日: 2018-04-26
• 公開（公告）號: CN109273091A
• 公開（公告）日: 2019-01-25
• 發明（設計）人: 邰永航;石俊生;魏磊;李瓊;柳昱辰;黃小喬;陳載清;程飛燕
• 申請（專利權）人: 云南師范大學
• 主分類號: G16H50/50
• 分類號: G16H50/50;G09B9/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于術中數據的經皮腎鏡取石虛擬手術訓練系統，其特征在于：由醫學圖像三維重建模塊(1)，術中手術穿刺實驗設計(2)，力學建模模塊(3)，視覺渲染模塊(4)，觸覺渲染模塊(5)，虛擬手術訓練環境設計模塊(6)，具有觸覺交互的手術器械模塊(7)，手術訓練數據采集分析模塊(8)，增強現實模塊(9)和3D打印模塊(10)；

所述的醫學圖像三維重建模塊(1)，通過導入結石病人術前DICOM格式醫學圖像導入自行編寫的分析軟件中，由專業泌尿外科醫師通過區域劃分、閾值限定等圖像處理方法對生成的數據重復評估矯正，重構患者集合系統精細三維模型，用于視覺渲染模塊(4)和3D打印模塊(9)；

所述的術中手術穿刺實驗設計(2)用于獲取真實力學數據構建力學模型模塊(3)及觸覺渲染模塊(5)；

所述的虛擬手術環境設計模塊(6)，用于構建手術環境需要的手術步驟及器械，并同步視覺渲染模塊(4)和觸覺渲染模塊(5)；

所述的訓練數據采集分析模塊(8)，用于采集、分析通過增強現實模塊(9)結合3D打印模塊(10)虛擬手術訓練后，醫師手術技巧的提高。

2.根據權利要求1所述，術中手術穿刺實驗設計(2)，其特點在于：通過定制的3D打印連接器，將18G PCNL手術套針與6自由度傳感器連接，在醫生穿刺針真實病人手術過程中，記錄摩擦力、阻力及切割力形變曲線，記錄實驗套裝針針尖、針鞘刺破每一層組織瞬間“雙峰值”(Dual-Pop)力學數據，具體步驟有：

步驟一：放置6DOF力學傳感器在穿刺針后，通過數據采集卡實時采集穿刺4個過程(針頭接觸組織形變-套針針尖穿過組織-套針針鞘穿過組織-針體在軟組織中行進)中力及力矩變化；

步驟二：修改穿刺參數，包括：穿刺位置(不同生物組織纖維走向)，穿刺角度，針尖鋒利程度，穿刺速度，連續與非連續進針，記錄實驗數據；

步驟三：通過術中C-ARM或超聲導航圖像，記錄套針穿刺人體腎臟過程中腎臟位移形變，獲取穿刺過程中組織形變數據。

3.根據權利要求書1所述，力學建模模塊(3)，其特點在于：所重建的力學模型包括對阻力、摩擦力、切割力的分別建模以及整體建模，具體步驟有：

步驟一：阻力建模根據腎臟軟組織粘彈特性穿刺結果，腎臟軟組織在較小形變時，阻力與測試深度關系為一維線彈性模型表示；當發生較大范圍形變時，力學模型表現為非線彈性模型，結合腎臟組織最大形變量及幾何參數通過傅立葉級數擬合實驗數據建模；

步驟二：摩擦力建模通過改進的修正Karnopp模型，假定穿刺力沿針軸方向的側向摩擦力沿針軸分布，用以構建出摩擦力力學模型；

步驟三：切割力可由實驗直接測出，取多次實驗平均值，其中穿刺透過每一層腎組織會有兩個明顯的切割力波峰，為套針針頭、針鞘分別刺破組織結構瞬間；

步驟四：將以上步驟獲得的三個力合力構建腎臟穿刺過程中整體力學模型，通過設置穿刺距離，軟組織最大形變量完成力學模型表達式。

4.根據權利要求1所述，視覺渲染模塊(4)，其特點在于：通過3D圖形處理軟件(3Dmax/Maya)，在保證患者內臟結構、集合系統空間位置不變情況下，優化視覺效果，包括：細分網格(Subdivision)，平滑處理，光照，透明調節，著色(Shader)和腎臟結構的分層渲染。

5.根據權利要求1和權利要求3所述，觸覺渲染模塊(5)，其特點在于：將生成的腎臟軟組織穿刺力學模型通過VC++語言編寫至觸覺交互設備，其中“雙波峰”力的效果在穿刺過腎皮質外膜及腎髓質外膜時進行渲染，虛擬套針在穿刺通過腎皮質，腎髓質，腎盂的阻力反饋效果分層渲染。