一种基于术中数据的经皮肾镜取石虚拟手术系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于触觉交互的经皮肾镜穿刺(PCNL)的肾结石虚拟手术训练系统，用以提高泌尿外科医生反复训练获得穿刺技巧的方法。具体包括：医学图像三维重建模块(1)，肾脏软组织样本穿刺实验模块(2)，力学建模模块(3)，视觉渲染模块(4)，触觉渲染模块(5)，虚拟手术训练环境设计模块(6)，触觉交互设备模块(7)，手术训练数据采集分析模块(8)，增强现实模块(9)和3D打印模块(10)；本发明专利技术使用真实手术套针穿刺肾脏组织数据建立力学模型，结合触觉交互设备、增强现实技术、3D打印技术构建的虚拟PCNL手术环境能够沉浸感强、实时性好，有助于泌尿外科医生训练提高手术技巧，熟练手术环节。

【技术实现步骤摘要】
一种基于术中数据的经皮肾镜取石虚拟手术系统
：本专利技术属计算机图形学/虚拟现实领域，具体涉及基于触觉交互的虚拟手术训练设备及系统。
技术介绍
：肾结石是人体泌尿系统的高发病之一，目前主要的微创治疗方式为：体外冲击波碎石术、经皮肾镜取石术(PCNL，PercutaneousNephrolithotomy)以及输尿管软镜等。PCNL因具有适用范围广、碎石速度快、清石率高等优势而成为复杂结石及较大结石的主要治疗方式[1]。建立合适的经皮肾镜通道是PCNL手术成功的关键，直接影响到手术效果[2]。由于肾脏本身内部解剖结构复杂、动脉供血丰富(占心脏总输出的20％-25％)[3-4]，毗邻脏器个体差异性大，加之患者个体的结石大小、形状、位置分布难以预测等，都延滞了泌尿外科医生熟练掌握PCNL手术技巧的学习曲线。虚拟手术训练作为一个新兴的研究方向，是集医学、计算机技术、生物力学、光学工程、材料科学、机械力学等诸多学科为一体的交叉研究领域[5-6]，同时作为虚拟现实技术和医学研究结合的重要成果，虚拟手术训练也是当今医学领域研究的热点之一[7]。现有的虚拟手术训练系统主要是基于患者真实医学影像数据，运用计算机图形学构建模拟手术环境，医生可以在虚拟环境完成手术技能训练、术前手术规划等操作[8]，但在触觉交互上存在缺失。国外虚拟手术模拟起步较早，其中斯坦福大学、伦勒斯理工学院等已经设计出相关产品，但国外大部分虚拟手术训练研究都集中在内窥镜手术及近似各向同性器官(肝脏)的手术仿真，对于肾脏微创手术训练的研究，尚未见相关研究报道[9-10]。国内现阶段针对虚拟手术训练研究也逐渐兴起，北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、上海交大等都在不同方向、不同程度开展了虚拟手术训练系统的研究，但研究都还处于起步阶段，在触觉交互的真实性、软组织实时形变、系统沉浸感等方面还存在一些问题[11-12]。参考文献：[1]于德栋，沈国芳.虚拟现实技术在手术培训中的应用及展望[J].中华口腔医学研究杂志(电子版),2011,5(5):538-541.[2]付玉锦等，采用仿真手术刀的虚拟外科手术关键技术研究[D].北京:中国科学院自动化研究所,2005.[3]谭珂，郭光友.一种鼻内窥镜虚拟手术仿真系统[J].计算机工程，2006，32(16):243-276.[4]MachadoLS,MelloAN,OdoneFilhoV,etal.VirtualRealitySimulationofPediatricBoneMarrowHarvestforTransplant[J].MedicalandPediatricOncology.2002,39(4):282.[5]KühnapfelU,KuhnCh,HübnerM,etal.Endoscopicsurgerytrainerasanexampleforvirtualrealityinmedicaleducation[EB/OL].2013.[6]RobertLWilliamsII,MayankSrivastava,RobertRConatserJr.etal.ImplementationandEvaluationofaHapticPlaybackSystem[J/OL].Haptics-e,2004,3(3).[7]Mirkoraspolli,CarloAlbertoAvizzno,etal.HERMES:Anangioplastysurgerysimulator[A].ProceedingsoftheFirstJointEurohapticsConferenceandSymposiumonHapticInterfacesforVirtualEnvironmentandTeleoperatorSystems2005[C].Washington,DC,2005:148-156.[8]YoshihiroKuroda,MakotoHirai.ConstructionofTrainingEnvironmentforSurgicalExclusionwithaBasicStudyofMulti-fingerHapticInteraction[A].SecondJointEuroHapticsConferenceandSymposiumonHapticInterfacesforVirtualEnvironmentandTeleoperatorSystems2007[C],Tsukaba,2007:525-530.[9]ShunLiang,BanerjeePPat,EdwardDeepakP.AHighPerformanceGraphicandHapticCurvilinearCapsulorrhexisSimulationSystem[A].31stAnnualInternationalConferenceoftheIEEEEMBS[C],Minneapolis,Minnesota,USA,2009:5092-5095.[10]ChoiKup-Sze,SooSophia,ChungFu-Lai.Avirtualtrainingsimulatorforlearningcataractsurgerywithphacoemulsification[J].ComputersinBiologyandMedicine,2009,39:1020-1031.[11]何健，鲍苏苏，潘家辉.基于PHANTOM的虚拟手术系统的研究[J].计算机与现代化,2011,6:45-51.[12]张小瑞，孙伟，宋爱国等.双通道力触觉交互的虚拟肺手术仿真系统[J].仪器仪表学报,2012,32(2):421-428.
技术实现思路
：本专利技术的目的在于提供一种基于术中数据的具有触觉交互的经皮肾镜穿刺(PCNL)的肾结石虚拟手术系统，用以提高泌尿外科医生反复训练获得穿刺技巧的方法。其主要包括：医学图像三维重建模块，术中手术穿刺实验设计，力学建模模块，视觉渲染模块，触觉渲染模块，虚拟手术训练环境设计模块，具有触觉交互的手术器械设备模块，手术训练数据采集分析模块，增强现实模块和3D打印模块；医学图像三维重建模块通过导入结石病人术前拍摄的医学图像(DICOM)到自主编写图像分析软件中分析，通过专业泌尿外科医师通过区域划分、阈值限定等图像处理方法对生成的数据重复评估矫正，重构患者集合系统精细三维模型；肾脏软组织样本穿刺实验模块使用将18GPCNL手术套针与6自由度传感器连接，在医生穿刺针真实病人手术过程中，记录摩擦力、阻力及切割力形变曲线，记录实验套装针针尖、针鞘刺破每一层组织瞬间“双峰值”(Dual-Pop)力学数据；力学建模模块通过傅里叶级数拟合、修正Karnopp模型等拟合实验数据建模重建对阻力、摩擦力、切割力的分别建模以及整体建模；视觉渲染模块通过3D图形处理软件(3Dmax/Maya)，在保证患者内脏结构、集合系统空间位置不变情况下，优化视觉效果，包括：细分网格(Subdivision)，平滑处理，光照，透明调节，着色(Shader)和肾脏结构的分层渲染；触觉渲染模块将生成的肾脏软组织穿刺力学模型通过VC++语言编写至触觉交互设备，其中“双波峰”力的效本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于术中数据的经皮肾镜取石虚拟手术训练系统，其特征在于：由医学图像三维重建模块(1)，术中手术穿刺实验设计(2)，力学建模模块(3)，视觉渲染模块(4)，触觉渲染模块(5)，虚拟手术训练环境设计模块(6)，具有触觉交互的手术器械模块(7)，手术训练数据采集分析模块(8)，增强现实模块(9)和3D打印模块(10)；所述的医学图像三维重建模块(1)，通过导入结石病人术前DICOM格式医学图像导入自行编写的分析软件中，由专业泌尿外科医师通过区域划分、阈值限定等图像处理方法对生成的数据重复评估矫正，重构患者集合系统精细三维模型，用于视觉渲染模块(4)和3D打印模块(9)；所述的术中手术穿刺实验设计(2)用于获取真实力学数据构建力学模型模块(3)及触觉渲染模块(5)；所述的虚拟手术环境设计模块(6)，用于构建手术环境需要的手术步骤及器械，并同步视觉渲染模块(4)和触觉渲染模块(5)；所述的训练数据采集分析模块(8)，用于采集、分析通过增强现实模块(9)结合3D打印模块(10)虚拟手术训练后，医师手术技巧的提高。

【技术特征摘要】
2017.07.17 CN 20171057953861.一种基于术中数据的经皮肾镜取石虚拟手术训练系统，其特征在于：由医学图像三维重建模块(1)，术中手术穿刺实验设计(2)，力学建模模块(3)，视觉渲染模块(4)，触觉渲染模块(5)，虚拟手术训练环境设计模块(6)，具有触觉交互的手术器械模块(7)，手术训练数据采集分析模块(8)，增强现实模块(9)和3D打印模块(10)；所述的医学图像三维重建模块(1)，通过导入结石病人术前DICOM格式医学图像导入自行编写的分析软件中，由专业泌尿外科医师通过区域划分、阈值限定等图像处理方法对生成的数据重复评估矫正，重构患者集合系统精细三维模型，用于视觉渲染模块(4)和3D打印模块(9)；所述的术中手术穿刺实验设计(2)用于获取真实力学数据构建力学模型模块(3)及触觉渲染模块(5)；所述的虚拟手术环境设计模块(6)，用于构建手术环境需要的手术步骤及器械，并同步视觉渲染模块(4)和触觉渲染模块(5)；所述的训练数据采集分析模块(8)，用于采集、分析通过增强现实模块(9)结合3D打印模块(10)虚拟手术训练后，医师手术技巧的提高。2.根据权利要求1所述，术中手术穿刺实验设计(2)，其特点在于：通过定制的3D打印连接器，将18GPCNL手术套针与6自由度传感器连接，在医生穿刺针真实病人手术过程中，记录摩擦力、阻力及切割力形变曲线，记录实验套装针针尖、针鞘刺破每一层组织瞬间“双峰值”(Dual-Pop)力学数据，具体步骤有：步骤一：放置6DOF力学传感器在穿刺针后，通过数据采集卡实时采集穿刺4个过程(针头接触组织形变-套针针尖穿过组织-套针针鞘穿过组织-针体在软组织中行进)中力及力矩变化；步骤二：修改穿刺参数，包括：穿刺位置(不同生物组织纤维走向)，穿刺角度，针尖锋利程度，穿刺速度，连续与非连续进针，记录实验数据；步骤三：通过术中C-ARM或超声导航图像，记录套针穿刺人体肾脏过程中肾脏位移形变，获取穿刺过程中组织形变数据。3.根据权利要求书1所述，力学建模模块(3)，其特点在于：所重建的力学模型包括对阻力、摩擦力、切割力的分别建模以及整体建模，具体步骤有：步骤一：阻力建模根据肾脏软组织粘弹特性穿刺结果，肾脏软组织在较小形变时，阻力与测试深度关系为一维线弹性模型表示；当发生较大范围形变时，力学模型表现为非线弹性模型，结合肾脏组织最大形变量及几何参数通过傅立叶级数拟合实验数据建模；步骤二：摩擦力建模通过改进的修正Karnopp模型，假定穿刺力沿针轴方向的侧向摩擦力沿针轴分布，用以构建出摩擦力力学模型；步骤三：切割力可由实验直接测出，取多次实验平均值，其中穿刺透过每一层肾组织会有两个明显的切割力波峰，为套针针头、针鞘分别刺破组织结构瞬间；步骤四：将以上步骤获得的三...

【专利技术属性】
技术研发人员：邰永航，石俊生，魏磊，李琼，柳昱辰，黄小乔，陈载清，程飞燕，
申请(专利权)人：云南师范大学，
类型：发明
国别省市：云南,53