一种用于模拟微创穿刺手术的方法及其系统技术方案

本发明专利技术提供了一种用于模拟微创穿刺手术的方法及其系统，通过扫描图像数据可准确获取待手术部位的数据信息，确保手术仿真操作环境的准确性，并将病变体与人体组织分别独立建模，采用增强现实技术将手术仿真场景与真实场景相结合，增强了用户的感官感受，便于在模拟手术过程中，操作者在寻找穿刺点时，准确观察人体组织的周围重要血管情况，便于训练操作者准确获知穿刺点，提高手术成功机率；同时，本申请在碰撞检测过程中，将虚拟手术器械与虚拟人体组织之间的交互分割成两个阶段，分别构建软组织形变阶段和刺破阶段的力反馈方程式，利用力反馈设备予以接受输出，从而操作者在模拟实验操作过程中，准确感知当前操作作用力，使得实验沉浸感增强。

Method and system for simulating minimally invasive puncture operation

The present invention provides a system and method for simulation of minimally invasive surgery, the surgical site to obtain accurate data information by scanning the image data, ensure the accuracy of operation simulation of the operating environment, and the disease variants and human tissues respectively by modeling, enhanced reality technology operation simulation scene and real scene combination to enhance the user's senses, to simulate the operation process, the operator in the search for the puncture point, accurate observation of surrounding vascular tissue, to facilitate the operator training accurately informed of the puncture point, improve the success probability; at the same time, the application in the collision detection process, the interaction between virtual instruments and virtual human tissue is divided into two stages, the soft tissue deformation stage were constructed and punctured stage force feedback equation, using The force feedback device accepts the output so that the operator accurately perceives the current operation force during the simulated experimental operation so as to increase the immersion sensation of the experiment.

【技术实现步骤摘要】
一种用于模拟微创穿刺手术的方法及其系统
本专利技术涉及一种手术仿真
，更具体地，涉及一种用于模拟微创穿刺手术的方法及用于模拟微创穿刺手术的系统。
技术介绍
目前，微创手术相对于传统手术仅对人体组织造成非常微小的创伤，这一技术可以显著降低术后的恢复时间和死亡率。因此，微创手术及其相关辅助诊疗手段的研究成为当今医疗技术研究的热点。为了提高微创手术的成功几率，通常需要提前对手术进行模拟，手术仿真应需而生。手术仿真的核心功能是由反馈交互体现的，系统通过输入设备接收到用户的操作，根据算法和模型计算出系统对操作的响应，然后通过输出设备将响应结果反馈给用户。目前大多数的虚拟力反馈手术系统只研究了虚拟组织的切割、变形、抓取和缝合的交互，但是不能模拟微创穿刺手术的力交互过程，这就导致现有的手术仿真系统无法训练实验操作者在微创穿刺手术过程中寻找手术切入点，而在微创穿刺手术中手术切入点是关乎手术成败的关键，这就导致现有手术仿真系统无法满足模拟微创穿刺手术的需要。并且，这种传统的模拟手术系统，在穿刺实验过程中无法观察穿刺过程中病灶周围重要血管分布情况，这就导致操作者在实验过程中仍然采用传统的二维平面图像辅助训练，难以达到手术仿真的目的。为了使得用户在进行手术仿真时有更好的沉浸感，通常会采用增强现实技术进行人机交互和反馈显示。而现有的增强现实手术仿真系统主要侧重对真实手术的模拟效果，因此，系统普遍具有设备体积庞大、成本高昂等特点，不利于增强现实手术仿真的推广。故，开发轻量级的增强现实手术仿真系统，拓展临床医生手术训练方式具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术提供一种可实现可视化观察虚拟人体组织内部结构并提供实验沉浸感强的微创穿刺手术的模拟训练方法及用于模拟微创穿刺手术的系统，以解决现有模拟手术系统实验沉浸感不强且不便于寻找手术切入点的缺陷。根据本专利技术的一个方面，提供一种用于模拟微创穿刺手术的方法，其特征在于：其包括以下步骤，步骤1，将人体组织与病变体的三维模型结合形成完整的病变人体三维组织模型；步骤2，基于所述病变人体三维组织模型，构建具备生物力学特征的虚拟人体组织，并对所述虚拟人体组织进行表面半透明化处理；步骤3，确认虚拟手术器械与虚拟人体组织发生碰撞，基于虚拟人体组织在接触及穿刺过程中对虚拟手术器械反馈的作用力，对虚拟人体组织产生力学变形并输出视觉反馈，辅助规划手术路径。在上述方案的基础上优选，步骤1中的人体组织和病变体的三维模型是通过导入CT扫描数据，在三维软件中分别建模构建而成。在上述方案的基础上优选，步骤1中，将三维软件中构建成的三维模型进行网格化处理。在上述方案的基础上优选，步骤2进一步包括：构建弹簧质点模型；并，基于弹簧质点模型建立力学约束方程，计算外部作用力作用在虚拟人体组织上产生的位移量。在上述方案的基础上优选，步骤2进一步包括：基于弹簧质点模型所构建的模型中，每一个质点受到一个外部作用力Fext，根据形变的运动学方程，获得Fext的第一种表达方式为：其中，m表示质点的质量，x表示质点的位移，t表示时间，D表示阻尼器的阻尼系数，K表示弹簧的弹性系数，Fext表示该质点受到的外部作用力；根据胡克定律和牛顿第二定律，Fext的第二种表达方式为：Fext＝Fs+Fd+Fp(2)；其中，Fs为质点所受到的弹簧弹力，Fd为质点受到的阻尼力，Fp为模拟的内部回复力；结合公式(1)和公式(2)，计算出当前质点的位移量x，并将x至反馈在虚拟人体软组织上。在上述方案的基础上优选，步骤3进一步包括：构建内部气体分子力模型，利用克拉伯龙方程式计算出质点所受压力，再通过压强计算公式，获得当前质点的内部回复力。在上述方案的基础上优选，步骤3中，虚拟人体组织在接触过程中对虚拟手术器械反馈的作用力F，该作用力F表示形式为：其中，F为触觉反馈力，K为弹簧的刚度系数，D为阻尼器的阻尼系数，x为虚拟手术器械当前位置与表面接触点之间的距离，即碰撞深度。在上述方案的基础上优选，步骤3中，虚拟人体组织在穿刺过程中对虚拟手术器械反馈的作用力F为虚拟手术器械与虚拟组织之间的摩擦力。根据本专利技术的另一方面，本专利技术还提供了一种用于模拟微创穿刺手术的系统，其特征在于：其包括，病变人体组织构建模块，用于构建人体三维组织及病变体，并将两者结合构成完整的病变人体三维组织模型；生物力学处理模块，用于对所述病变人体三维组织模型构建具备生物力学特征的虚拟人体组织；力学交互反馈模块，用于模拟虚拟手术器械在接触及穿刺过程中对虚拟手术器械的反馈作用力，并使虚拟人体组织产生力学变形，产生视觉输出显示穿刺路径，辅助检查和优化穿刺轨迹。在上述方案的基础上优选，所述的生物力学处理模块，还包括一用于将所述的虚拟人体组织的表面进行半透明化处理的可视化处理模块。在上述方案的基础上优选，所述的力学交互反馈模块包括：用于计算虚拟手术器械在接触；及，穿刺过程中对虚拟手术器械的反馈作用力的碰撞检测模块、及与该碰撞检测模块连接的力触觉仿真模块和柔性变形模块。在上述方案的基础上优选，其还包括一用于控制虚拟手术器械输入作用力并接受力学反馈模块输出反馈作用力的力反馈设备。在上述方案的基础上优选，所述的柔性变形模块的输出端还装有一视觉输出模块，并将该视觉输出模块与一视频透射式头盔显示器相连。在上述方案的基础上优选，所述的视频透射式头盔显示器包括一用于采集现实场景环境的摄像头、和与该摄像头输出端相连接的图像处理器，所述的视觉输出模块的输出端与所述的图像处理器相连接。本申请提出一种用于模拟微创穿刺手术的方法，通过CT扫描图像数据可准确获取待手术部位的数据信息，确保手术仿真操作环境的准确性，并将病变体与人体组织分别独立建模，以将虚拟人体组织表面半透明化，便于在模拟手术过程中，操作者在寻找穿刺点时，准确观察人体组织的周围重要血管情况，有利于训练操作者准确获知穿刺点，提高手术成功机率；同时，本申请在碰撞检测过程中，将虚拟手术器械与虚拟人体组织之间的交互过程分割成两个阶段，分别构建软组织形变阶段和穿刺阶段的力反馈方程式，利用力反馈设备予以接受输出，从而使操作者在模拟实验操作过程中，准确感知当前操作作用力大小，使得实验沉浸感增强。与此同时，本专利技术将仿真手术所产生的图像数据发送至视频透射式头盔显示器的图像处理器，并配合摄像头采集现实场景数据，利用图像处理器将仿真手术的图像数据与现实场景数据相结合，并采用增强现实注册跟踪技术保证融合效果，将虚拟场景与真实场景相结合，增强了用户的感官感受，使用户获得更高的使用体验，从而增强了手术仿真效果。附图说明图1为本专利技术一种用于模拟微创穿刺手术的方法流程图；图2为本专利技术构建虚拟人体组织的结构框图；图3为本专利技术网格化后部分人体组织的弹簧质点模型放大图；图4为本专利技术软组织形变阶段反馈力计算模型图；图5为本专利技术用于模拟微创穿刺手术的系统结构框图；图6为本专利技术使用图5所示系统的流程图；图7为本专利技术用于模拟微创穿刺手术的系统的实景流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。为了详细说明本专利技术的技术方案，请参阅图1所示，本专利技术的一种用于模拟微创穿刺手术的方法，其具体包括以下步骤：步骤1，将人体组织与病本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于模拟微创穿刺手术的方法，其特征在于：其包括以下步骤，步骤1，将人体组织与病变体的三维模型结合形成完整的病变人体三维组织模型；步骤2，基于所述病变人体三维组织模型，构建具备生物力学特征的虚拟人体组织，并对所述虚拟人体组织进行表面半透明化处理；步骤3，确认虚拟手术器械与虚拟人体组织发生碰撞，基于虚拟人体组织在软组织形变及穿刺过程中对虚拟手术器械反馈的作用力，对虚拟人体组织产生力学变形并输出视觉反馈，辅助规划手术路径。

【技术特征摘要】
1.一种用于模拟微创穿刺手术的方法，其特征在于：其包括以下步骤，步骤1，将人体组织与病变体的三维模型结合形成完整的病变人体三维组织模型；步骤2，基于所述病变人体三维组织模型，构建具备生物力学特征的虚拟人体组织，并对所述虚拟人体组织进行表面半透明化处理；步骤3，确认虚拟手术器械与虚拟人体组织发生碰撞，基于虚拟人体组织在软组织形变及穿刺过程中对虚拟手术器械反馈的作用力，对虚拟人体组织产生力学变形并输出视觉反馈，辅助规划手术路径。2.如权利要求1所述的一种用于模拟微创穿刺手术的方法，其特征在于:步骤1中，人体组织和病变体的三维模型是通过导入扫描数据，在三维软件中分别建模构建而成，并将三维软件中构建成的三维模型进行网格化处理。3.如权利要求1所述的一种用于模拟微创穿刺手术的方法，其特征在于:步骤2进一步包括：构建弹簧质点模型；基于弹簧质点模型所构建的模型中，每一个质点受到一个外部作用力Fext，根据形变的运动学方程，获得Fext的第一种表达方式为：其中，m表示质点的质量，x表示质点的位移，t表示时间，D表示阻尼器的阻尼系数，K表示弹簧的弹性系数，Fext表示该质点受到的外部作用力；根据胡克定律和牛顿第二定律，Fext的第二种表达方式为：Fext＝Fs+Fd+Fp(2)；其中，Fs为质点所受到的弹簧弹力，Fd为质点受到的阻尼力，Fp为模拟的内部回复力；结合公式(1)和公式(2)，计算出当前质点的位移量x，并将x至反馈在虚拟人体软组织上。4.如权利要求3所述的一种用于模拟微创穿刺手术的方法，其特征在于:步骤3进一步包括:构建内部气体分子力模型，利用克拉伯龙方程式计算出质点所受压力；通过压强计算公式，获得当前质点的内部回复力。5.如权利要求1所述的一种用于模拟微创穿刺手术的方法，其特征在于：步骤3中，虚拟人体组织在接触过程中对虚拟手术...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨健，王涌天，唐宋元，丛伟建，林彤，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11