微创心脏外科手术的术前规划及手术虚拟现实模拟系统技术方案

本发明专利技术属于微创手术技术领域，公开了一种微创心脏外科手术的术前规划及手术虚拟现实模拟系统。设置有模拟器外壳；模拟器外壳正面设置有模拟器显示屏；模拟器显示屏下方设置有控制台，控制台上方设置有规划系统开关以及手术模拟开关；开关下方设置有控制键盘；控制键盘右侧设置有触摸板；触摸板上方设置有开机显示灯；模拟器外壳右侧设置有电源接口。本发明专利技术的新型微创心脏外科手术的术前规划及手术虚拟现实模拟系统设置有控制台以及显示器，可以通过内部系统进行模拟实验，提高手术成功率；并且该试验机设置有两个独立的系统，分别有规划系统开关、手术模拟开关管控，互不影响。

Preoperative planning and virtual reality simulation system for minimally invasive cardiac surgery

The invention belongs to the field of minimally invasive surgery technology, and discloses a virtual reality simulation system for preoperative planning and operation of minimally invasive cardiac surgery. The simulator shell is set; the simulator housing is equipped with a simulator display screen; a console is set below the simulator display screen, a planning system switch and an operation analog switch above the console; a control keyboard is set under the switch; a touch board is set on the right side of the control keyboard; a boot is set above the touch board. The power supply interface is installed on the right side of the simulator housing. The pre operation planning and virtual reality simulation system of the new minimally invasive cardiac surgery are set up with a console and a display, which can be simulated through an internal system to improve the success rate of the operation, and the test machine is set up with two independent systems, such as a planning system switch and an operation analog switch. Control, do not affect each other.

【技术实现步骤摘要】
微创心脏外科手术的术前规划及手术虚拟现实模拟系统
本专利技术属于微创手术
，尤其涉及一种微创心脏外科手术的术前规划及手术虚拟现实模拟系统。
技术介绍
微创外科手术是指以尽可能小的创伤，来完成所需要的手术，达到治疗疾病的目的。而心脏作为人体最重要和最脆弱的器官，在心脏上做微创手术是一个极为精细的工程，必须在术前好好规划，并且进行模拟，才能保证手术的成功率。综上所述，现有技术存在的问题是：在心脏上做微创手术是一个极为精细的工程，必须在术前好好规划，并且进行模拟，才能保证手术的成功率。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种微创心脏外科手术的术前规划及手术虚拟现实模拟系统。本专利技术是这样实现的，一种微创心脏外科手术的术前规划及手术虚拟现实模拟系统设置有模拟器外壳；模拟器外壳正面设置有模拟器显示屏。模拟器显示屏下方设置有控制台，控制台上方设置有规划系统开关以及手术模拟开关；开关下方设置有控制键盘；控制键盘右侧设置有触摸板；触摸板上方设置有开机显示灯；模拟器外壳右侧设置有电源接口。所述控制台利用虚拟现实VR技术，构建虚拟仿真系统，通过使用各种交互单元在虚拟环境中进行交互仿真和信息交流；通过成像技术并结合OpenGL三维图形技术，对手术部位进行数字化再现，与预编数据库数据做对比，提取合理建议；构建虚拟仿真系统方法为：由控制台的虚拟仿真系统生成交互式三维虚拟环境，与手术部位产生全方位互动，在仿真环境里，以720°的视角来获取手术部位的各种空间信息；控制台获取手术部位的各种空间信息的方法包括：以控制台集成的三维扫描仪0位为参考，测定控制台的红外线扫描激光器中心的位置参数X0，Y0，Z0和三维扫描仪的基准线的姿态参数ω，κ，记录；启动红外线扫描激光器，设置其为红外线扫描模式，对手术部位断面进行扫描，在手术部位表面形成结构光，记录每一个扫描激光点与三维扫描仪的基准线的夹角Δβ和结构光上每一个激光扫描点测量值D；按照红外线扫描上每一个点间隔，结合红外线激光扫描器中心的位置姿态参数，采用式(1)计算手术部位断面的三维坐标(XL，YL，ZL)：式中，Fx、Fy、Fz分别表示沿x，y，z方向，按照姿态参数ω，κ和每一个扫描激光点与三维扫描仪的基准线的夹角Δβ及线结构光上每一个激光扫描点测量值D计算的坐标分量，其具体计算公式为：Fz＝0保存采用红外线扫描激光器计算的手术部位断面三维坐标。进一步，控制台获取手术部位的各种空间信息的方法还包括：A、设定红外线扫描激光器的步进角度θ旋转；B、采用红外线扫描激光器在手术部位表面产生稳定的结构光，计算得到旋转角度的结构光，拍摄各个旋转角度手术部位断面特征的立体影像；C、计算旋转角度手术部位断面的三维坐标(XL，YL，ZL)，(XC，YC，ZC)；D、采用以下公式分别计算步进角度θ得到的结构光手术部位断面的坐标：Xi＝X0+dcosθ；Yi＝Y0+dsinθ；Zi＝Z0；式中，X0，Y0，Z0为上一个线特征的三维坐标，θ表示步进角度，d表示步进角度对应的步进距离；重复执行步骤A-D，根据设定的步进角度，完成720°步进旋转，得到手术部位表面全部三维坐标点集。进一步，红外线扫描激光器所述控制台还包括：数据采集模块，用于获取红外线扫描激光器的扫描数据；处理器模块，用于对所述数据采集模块获取的扫描数据进行处理；目标图像获取模块，用于根据所述处理的扫描数据进行迭代处理，以获取目标图像；所述非负图像获取模块，用于对所述目标图像进行非负处理，获取所述目标图像的非负图像；所述分解模块，用于对所述非负图像进行非线性分解，获取第一非负图像和第二非负图像；所述稀疏化处理模块，用于对所述第一非负图像和第二非负图像进行稀疏化处理，获取满足预定条件的最优化稀疏解；所述重建模块，用于根据所述最优化稀疏解获取重建图像。进一步，所述目标图像获取模块根据所述处理的投影数据进行迭代处理，以获取目标图像中，迭代处理模型的公式表示为：其中，X为所述目标图像，M为系统矩阵，G为所述投影数据，i表示迭代次数，Xi表示第i次迭代后得到的迭代结果；λ表示收敛系数，且λ∈(0,1)，MT表示对矩阵M的转置。所述迭代处理具体包括：设置所述目标图像的初始值，并根据预先设置的迭代次数利用所述迭代处理模型对所述目标图像中的每个像素点进行迭代更新，获取所述目标图像，所述迭代处理模型中的像素点的当前灰度值与前次迭代的灰度值一致逼近。进一步，所述非负图像获取模块对所述目标图像进行非负处理中，将所述目标图像中灰度值小于0的像素点置零。进一步，控制键盘与控制台采用螺栓连接，可拆卸。进一步，电源接口需连接220V电压。本专利技术的新型微创心脏外科手术的术前规划及手术虚拟现实模拟系统设置有控制台以及显示器，可以通过内部系统进行模拟实验，提高手术成功率。并且该试验机设置有两个独立的系统，分别有规划系统开关、手术模拟开关管控，互不影响。本专利技术的方法综合摄像机相机与计算机计算方法，实现低成本、无损伤、全自动化的手术部位三维数字化化重建，为快速、精确地获取手术部位的三维信息，并建立起科学准确的三维数据模型提供了一种全新的技术，可以广泛应用于医学领域。本专利技术通过对目标图像进行非负处理，获取目标图像的非负图像，然后对非负图像进行非线性分解，获取第一非负图像和第二非负图像，最后对第一非负图像和第二非负图像进行稀疏化处理，获取最优化稀疏解，根据该最优化稀疏解实现图像重建，降低了运算过程中的图像矩阵的维数，提高了图像重建的效率。附图说明图1是本专利技术实施例提供的微创心脏外科手术的术前规划及手术虚拟现实模拟系统的结构示意图；图中：1、模拟器外壳；2、模拟器显示屏；3、开机显示灯；4、电源接口；5、触摸板；6、控制键盘；7、规划系统开关；8、手术模拟开关。具体实施方式为能进一步了解本专利技术的
技术实现思路
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图1详细说明如下。下面结合附图对本专利技术的结构作详细的描述。如附图1所示，本专利技术实施例提供的微创心脏外科手术的术前规划及手术虚拟现实模拟系统设置有模拟器外壳1；模拟器外壳1正面设置有模拟器显示屏2；模拟器显示屏2下方设置有控制台，控制台上方设置有规划系统开关7以及手术模拟开关8；开关下方设置有控制键盘6；控制键盘6右侧设置有触摸板5；触摸板5上方设置有开机显示灯3；模拟器外壳1右侧设置有电源接口4。所述控制台利用虚拟现实VR技术，构建虚拟仿真系统，通过使用各种交互单元在虚拟环境中进行交互仿真和信息交流；通过成像技术并结合OpenGL三维图形技术，对手术部位进行数字化再现，与预编数据库数据做对比，提取合理建议；构建虚拟仿真系统方法为：由控制台的虚拟仿真系统生成交互式三维虚拟环境，与手术部位产生全方位互动，在仿真环境里，以720°的视角来获取手术部位的各种空间信息；控制台获取手术部位的各种空间信息的方法包括：以控制台集成的三维扫描仪0位为参考，测定控制台的红外线扫描激光器中心的位置参数X0，Y0，Z0和三维扫描仪的基准线的姿态参数ω，κ，记录；启动红外线扫描激光器，设置其为红外线扫描模式，对手术部位断面进行扫描，在手术部位表面形成结构光，记录每一个扫描激光点与三维扫描仪的基准线的夹角Δβ和结构光上每一个激光扫描点测量值D；按照红外线扫描上每本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微创心脏外科手术的术前规划及手术虚拟现实模拟系统，其特征在于，所述微创心脏外科手术的术前规划及手术虚拟现实模拟系统设置有模拟器外壳；模拟器外壳正面设置有模拟器显示屏；模拟器显示屏下方设置有控制台，控制台上方设置有规划系统开关以及手术模拟开关；开关下方设置有控制键盘；控制键盘右侧设置有触摸板；触摸板上方设置有开机显示灯；模拟器外壳右侧设置有电源接口；所述控制台利用虚拟现实VR技术，构建虚拟仿真系统，通过使用各种交互单元在虚拟环境中进行交互仿真和信息交流；通过成像技术并结合OpenGL三维图形技术，对手术部位进行数字化再现，与预编数据库数据做对比，提取合理建议；构建虚拟仿真系统方法为：由控制台的虚拟仿真系统生成交互式三维虚拟环境，与手术部位产生全方位互动，在仿真环境里，以720°的视角来获取手术部位的各种空间信息；控制台获取手术部位的各种空间信息的方法包括：以控制台集成的三维扫描仪0位为参考，测定控制台的红外线扫描激光器中心的位置参数X0，Y0，Z0和三维扫描仪的基准线的姿态参数ω，κ，记录；启动红外线扫描激光器，设置其为红外线扫描模式，对手术部位断面进行扫描，在手术部位表面形成结构光，记录每一个扫描激光点与三维扫描仪的基准线的夹角Δβ和结构光上每一个激光扫描点测量值D；按照红外线扫描上每一个点间隔，结合红外线激光扫描器中心的位置姿态参数，采用式(1)计算手术部位断面的三维坐标(XL，YL，ZL)：...

【技术特征摘要】
1.一种微创心脏外科手术的术前规划及手术虚拟现实模拟系统，其特征在于，所述微创心脏外科手术的术前规划及手术虚拟现实模拟系统设置有模拟器外壳；模拟器外壳正面设置有模拟器显示屏；模拟器显示屏下方设置有控制台，控制台上方设置有规划系统开关以及手术模拟开关；开关下方设置有控制键盘；控制键盘右侧设置有触摸板；触摸板上方设置有开机显示灯；模拟器外壳右侧设置有电源接口；所述控制台利用虚拟现实VR技术，构建虚拟仿真系统，通过使用各种交互单元在虚拟环境中进行交互仿真和信息交流；通过成像技术并结合OpenGL三维图形技术，对手术部位进行数字化再现，与预编数据库数据做对比，提取合理建议；构建虚拟仿真系统方法为：由控制台的虚拟仿真系统生成交互式三维虚拟环境，与手术部位产生全方位互动，在仿真环境里，以720°的视角来获取手术部位的各种空间信息；控制台获取手术部位的各种空间信息的方法包括：以控制台集成的三维扫描仪0位为参考，测定控制台的红外线扫描激光器中心的位置参数X0，Y0，Z0和三维扫描仪的基准线的姿态参数ω，κ，记录；启动红外线扫描激光器，设置其为红外线扫描模式，对手术部位断面进行扫描，在手术部位表面形成结构光，记录每一个扫描激光点与三维扫描仪的基准线的夹角Δβ和结构光上每一个激光扫描点测量值D；按照红外线扫描上每一个点间隔，结合红外线激光扫描器中心的位置姿态参数，采用式(1)计算手术部位断面的三维坐标(XL，YL，ZL)：式中，Fx、Fy、Fz分别表示沿x，y，z方向，按照姿态参数ω，κ和每一个扫描激光点与三维扫描仪的基准线的夹角Δβ及线结构光上每一个激光扫描点测量值D计算的坐标分量，其具体计算公式为：Fz＝0保存采用红外线扫描激光器计算的手术部位断面三维坐标。2.如权利要求1所述的微创心脏外科手术的术前规划及手术虚拟现实模拟系统，其特征在于，控制台获取手术部位的各种空间信息的方法还包括：A、设定红外线扫描激光器的步进角度θ旋转；B、采用红外线扫描激光器在手术部位表面产生稳定的结构光，计算得到旋转角度的结构光，拍摄各个旋转角度手术部位断面特征的立体影像；C、计算旋转角度手术部位断面的三维坐标(XL，YL，ZL)，(XC，YC，ZC)；D、采用以下公式分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒刚，赵霞，章正碧，
申请(专利权)人：六盘水市人民医院，
类型：发明
国别省市：贵州,52