[發明專利]一種虛擬骨科手術練習系統及模擬訓練方法

在審

• 申請號: 202110331472.5
• 申請日: 2021-03-29
• 公開（公告）號: CN113035038A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 張學鋒;金健;湯亞玲;儲岳中;周思雨;劉盛東;黃喜璐;石軍花
• 申請（專利權）人: 安徽工業大學
• 主分類號: G09B23/28
• 分類號: G09B23/28;G06T17/20
• 代理公司: 安徽知問律師事務所 34134
• 代理人: 平靜

1.一種虛擬骨骼手術練習系統，其特征在于：包括骨骼三維模型重建模塊、顯示模塊、實際演練模塊和評估模塊，其中，骨骼三維模型重建模塊用于重構骨骼模型；顯示模塊用于顯示系統及操作界面，實際演練模塊中采用虛擬現實交互設備實現虛擬操作，該虛擬現實交互設備包括頭戴式顯示設備、手柄控制交互設備；評估模塊用于教學人員對手術整個演練過程進行評分。

2.根據權利要求1所述的一種虛擬骨骼手術練習系統，其特征在于：所述骨骼三維模型重建模塊采用Dijkstra算法對人體骨干點云數據進行處理，求出每個點到根節點之間的最短路徑距離，根據其他點到根結點的Dijkstra距離對每部分骨干進行分段，便于對模型進行任意的修改。

3.根據權利要求2所述的一種虛擬骨骼手術練習系統，其特征在于：構建骨骼模型時，骨架提取以Dijkstra距離分段為基礎，然后采用線性規劃的優化模型求出距離與角度的權值，根據加權后的匹配度進行骨架的連接，得到整個骨骼模型的完整骨架。

4.根據權利要求3所述的一種虛擬骨骼手術練習系統，其特征在于：骨干分段后得到的不同骨干部分記為C_i，對每一個C_i內的任意兩個點云數據p_i和p_j，如果兩點p_i和p_j之間的歐式距離小于0.015m，則認為這兩點是連通的；否則，認為p_i和p_j兩點之間的距離為無窮大；當C_i中由某種顏色表示的點構成的鄰接矩陣中，任意兩點之間都是有路徑可以到達的，則將這種顏色中離該段根結點的Dijkstra距離最近的若干個點的中心與離該段根結點的Dijkstra距離最遠的若干個點的中心相連，得到該段顏色部分的骨架。

5.根據權利要求4所述的一種虛擬骨骼手術練習系統，其特征在于：當C_i中由某種顏色表示的點構成的鄰接矩陣中，不是任兩點間均有路徑可以到達時，先根據鄰接矩陣把該顏色的點分成幾個連通子圖，每個連通子圖的鄰接矩陣都滿足任兩點間有路徑可達；在每個連通子圖中，將離根結點的Dijkstra距離最近的若干個點記為v1，v2，…，vn，該若干個點的中心記為且同時，將離根結點的Dijkstra距離最遠的若干個點記為u1，u2，…，um，該若干個點的中心記為且計算求得j點到骨骼頂點P的距離連通這些點即得到每個分段內C_i的骨架。

6.根據權利要求2-5中任一項所述的一種虛擬骨骼手術練習系統，其特征在于：人體骨干點云數據的獲取過程如下：首先對人體骨骼進行CT/核磁掃描，獲取用于三維模型重建的CT/MRI圖像；然后對圖像分割和邊緣進行提取與處理，將軟組織與骨骼組織進行分離，得到所需組織區域，再通過區域生長處理對已經確定的某一層面的組織區域采用區域生長功能擴展到其他剩余層；最后使用Calculate3D工具由mask計算所需組織的三維模型。

7.根據權利要求6所述的一種虛擬骨骼手術練習系統，其特征在于：對建好的三維模型進行光順及重新網格劃分等后期處理，用于提高模型質量，重構的三維模型輸入快速成型機中快速形成原型件。

8.一種虛擬骨骼手術模擬訓練方法，其特征在于：采用如權利要求1-7中任一項所述的手術練習系統進行骨骼手術模擬訓練。

9.根據權利要求8所述的一種虛擬骨骼手術模擬訓練方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)在系統中導入需要進行的手術訓練的骨骼模型，手術室選擇需要固定骨折部位；

(2)在器械菜單中選擇需要使用的手術器械，如手術刀，鋼板等對骨折部位進行手術。

10.根據權利要求9所述的一種虛擬骨骼手術模擬訓練方法，其特征在于：步驟(1)中，配制手術室環境的三維建模，采用SteamVR構建VR手術環境，用于構建逼真手術室環境；步驟(2)中，手術場景中采用多攝像頭，受訓人員通過鼠標滑輪控制主攝像頭的拉進和縮退，便于更好地觀察手術部位；手術場景中設置的第二攝像頭為輔助功能，用于多方位的觀察手術部位。