一种数字孪生皮肤穿刺针辅助系统技术方案

本发明专利技术提供了一种数字孪生皮肤穿刺针辅助系统，属于医疗器械技术领域，该数字孪生皮肤穿刺针辅助系统包括穿刺针定位帽、多个定位标志贴片、高清双目摄像头以及数字孪生终端；其中，穿刺定位帽用于可拆卸的与皮肤穿刺针连接，包括网格盒和穿刺针帽，穿刺针帽固定设置在网格盒底面的中心处，穿刺针帽用于可拆卸的安装在皮肤穿刺针手柄的顶端，网格盒为正方体或长方体结构，网格盒的表面设置有相间色彩的正方形网格，网格盒的顶面为液晶显示屏，网格盒为中空结构，网格盒顶面之外的五个面均采用半透明的材料制成，网格盒内部设置有电池、多色LED灯、单片机主板以及无线通信器，能够一些医生缺乏穿刺经验，解决导致穿刺不准的技术问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种数字孪生皮肤穿刺针辅助系统


[0001]本专利技术属于医疗器械
，具体而言，涉及一种数字孪生皮肤穿刺针辅助系统。

技术介绍

[0002]当前，一些皮肤科检测软件通常会使用图像处理和机器学习算法来对皮肤病变进行自动识别。这种算法可以对传入的皮肤照片进行分析，检查它们的颜色、大小、形状等特征，与事先编写的病变数据库进行比对，从而得出与其匹配的潜在疾病类型；不过，不少皮肤病不能仅从表面来分析，在皮肤科医生在诊断的时候，很多时候需要采用穿刺针进行穿刺，穿刺的位置、深度以及穿刺针倾斜度多数都是依靠医生的经验进行，往往会出现新医生经验不够导致穿刺不准的问题。
[0003]数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。在国内应用最深入的是工程建设领域，关注度最高、研究最热的是智能制造领域。当前现有技术中，缺乏利用数字孪生技术对皮肤病穿刺引导的研究。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供一种数字孪生皮肤穿刺针辅助系统，能够解决在皮肤科医生在诊断的时候，很多时候需要采用穿刺针进行穿刺，穿刺的位置、深度以及穿刺针倾斜度多数都是依靠医生的经验进行，往往会出现新医生经验不够导致穿刺不准的技术问题。
[0005]本专利技术是这样实现的：
[0006]本专利技术提供一种数字孪生皮肤穿刺针辅助系统，其中，包括穿刺针定位帽、多个定位标志贴片、高清双目摄像头以及数字孪生终端；
[0007]其中，所述穿刺定位帽用于可拆卸的与皮肤穿刺针连接，包括网格盒和穿刺针帽，所述穿刺针帽固定设置在所述网格盒底面的中心处，所述穿刺针帽用于可拆卸的安装在皮肤穿刺针手柄的顶端，所述网格盒为正方体或长方体结构，所述网格盒的表面设置有相间色彩的正方形网格，所述网格盒的顶面为液晶显示屏，所述网格盒为中空结构，所述网格盒顶面之外的五个面均采用半透明的材料制成，所述网格盒内部设置有电池、多色LED灯、单片机主板以及无线通信器，其中，所述单片机主板上设置有单片机芯片，所述电池与所述单片机主板电连接并供电，所述单片机主板与所述多色LED灯、所述无线通信器以及液晶显示屏电连接提供控制和供电，所述无线通信器用于和所述数字孪生终端进行通信，所述液晶显示屏用于显示穿刺时的导引方向；
[0008]所述定位标志贴片用于贴敷在患者皮肤表面进行辅助定位标记，为可贴敷在皮肤
上的圆形小贴片，所述多个小贴片的表面为不同颜色，所述小贴片的直径为2mm～3mm，所述小贴片的厚度为2mm～3mm；
[0009]所述数字孪生终端用于辅助穿刺，具体包括：
[0010]患处模型生成模块，用于生成当前患者皮肤患处的三维模型；
[0011]穿刺三维位置确定模块，用于根据当前患者的数据确定穿刺定位数据，所述穿刺定位数据包括穿刺位置、穿刺深度以及穿刺倾斜度；
[0012]所述高清双目摄像头，用于实时获取所述网格盒的位置，其中高清双目摄像头为分辨率4K的双目摄像头；
[0013]辅助穿刺模块，用于根据穿刺三维位置进行数字孪生导引医生对当前患者皮肤进行穿刺。
[0014]本专利技术提供的一种数字孪生皮肤穿刺针辅助系统的技术效果如下：通过在所述网格盒的表面设置有相间色彩的正方形网格，能够利用网格进行图像矫正，由于所述正方形网格的尺寸为已知，在数字孪生处理过程中，可以根据正方形网格的尺寸作为参考，实现矫正畸变等操作；采用不同颜色的小贴片，能够利用不同的颜色来实现更准确的标定；当医生进行穿刺时，利用液晶显示屏显示穿刺时的引导方向，医生不需要试试观察数字孪生的数字场景，直接所述网格盒上的液晶显示屏即可，由于所述网格盒与穿刺针固定在一起，穿刺针被医生握在手中，因此观察更加直观，给穿刺操作带来很大的便利。
[0015]在上述技术方案的基础上，本专利技术的一种数字孪生皮肤穿刺针辅助系统还可以做如下改进：
[0016]其中，所述患处模型生成模块，用于执行以下步骤：
[0017]建立包含有患者的皮肤患处区域的部分人体表面三维模型，作为基本三维模型；
[0018]获取多张不同角度的皮肤患处区域的高清图像作为患处图像集；
[0019]将患处图像融合到基本三维模型表面，形成患处三维模型；
[0020]其中所述皮肤患处区域为包含医生在患者皮肤患处外围边缘贴敷的至少为1 6的偶数个定位标志贴的区域；所述高清图像为4K分辨率图像。
[0021]其中，建立包含有患者的皮肤患处区域的部分人体表面三维模型作为基本三维模型的方法为获取三维激光扫描仪针对包含有患者的皮肤患处区域的部分人体表面进行扫描的点云模型，之后对点云模型进行三维建模，构成基本三维模型。
[0022]采用上述方案得到的基本三维模型中，由于定位标志贴片具有高度，因此基本三维模型中标志贴片对应的位置均为对应的高度凸起网格，当将患处图像融合到基本三维模型表面时，可以根据标志贴片进行基准定位，提高融合效率。
[0023]进一步的，所述将患处图像融合到基本三维模型表面形成患处三维模型的步骤，具体包括：
[0024]对患处图像集进行包括校正畸变、切除边缘、去噪的预处理得到第一图像集；
[0025]获取基本三维模型中所有的定位标志贴对应的点作为参考点，形成参考点集；
[0026]根据参考点将基本三维模型分为多个四边形栅格，形成四边形栅格集；
[0027]将第一图像集中的每个图像，根据四边形栅格集中的每个四边形栅格进行切割，得到多个图像切片形成图像切片集；
[0028]针对四边形栅格集中的每个四边形栅格，选择与四边形栅格相似度最高的图像切
片作为贴图切片；
[0029]将所有贴图切片贴到所述基本三维模型的对应位置，形成患处三维模型。
[0030]进一步的，其中，根据参考点将基本三维模型分为多个四边形栅格的步骤，具体包括：
[0031]建立外接球：获取基本三维模型的最小外接球，以外接球的中心为原点，建立原点到基本模型上的每个参考点的射线，该射线与最小外接球的连线为参考点对应的外接点；
[0032]贝尔曼投影：将所有外接点在进行墨卡托投影，得到多个投影点组成的投影点集；
[0033]建立平面坐标系：以所有投影点的几何中心为原点，以原点到任意一个投影点的连线所在直线为x轴，建立平面坐标系；
[0034]点集排序：根据投影点的坐标，按照顺时针或逆时针方向排列；
[0035]构建凸包：使用凸包算法对投影点集进行处理，得到投影点集的凸包，其中凸包是一个由点组成的凸多边形；
[0036]找出相邻连线：将凸包上的点与它们的相邻点相连；
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种数字孪生皮肤穿刺针辅助系统，其特征在于，包括穿刺针定位帽、多个定位标志贴片、高清双目摄像头以及数字孪生终端；其中，所述穿刺定位帽用于可拆卸的与皮肤穿刺针连接，包括网格盒和穿刺针帽，所述穿刺针帽固定设置在所述网格盒底面的中心处，所述穿刺针帽用于可拆卸的安装在皮肤穿刺针手柄的顶端，所述网格盒为正方体或长方体结构，所述网格盒的表面设置有相间色彩的正方形网格，所述网格盒的顶面为液晶显示屏，所述网格盒为中空结构，所述网格盒顶面之外的五个面均采用半透明的材料制成，所述网格盒内部设置有电池、多色LED灯、单片机主板以及无线通信器，其中，所述单片机主板上设置有单片机芯片，所述电池与所述单片机主板电连接并供电，所述单片机主板与所述多色LED灯、所述无线通信器以及液晶显示屏电连接提供控制和供电，所述无线通信器用于和所述数字孪生终端进行通信，所述液晶显示屏用于显示穿刺时的导引方向；所述定位标志贴片用于贴敷在患者皮肤表面进行辅助定位标记，为可贴敷在皮肤上的圆形小贴片，所述多个小贴片的表面为不同颜色，所述小贴片的直径为2mm～3mm，所述小贴片的厚度为2mm～3mm；所述数字孪生终端用于辅助穿刺，具体包括：患处模型生成模块，用于生成当前患者皮肤患处的三维模型；穿刺三维位置确定模块，用于根据当前患者的数据确定穿刺定位数据，所述穿刺定位数据包括穿刺位置、穿刺深度以及穿刺倾斜度；所述高清双目摄像头，用于实时获取所述网格盒的位置，其中高清双目摄像头为分辨率4K的双目摄像头；辅助穿刺模块，用于根据穿刺三维位置进行数字孪生导引医生对当前患者皮肤进行穿刺。2.根据权利要求1所述的一种数字孪生皮肤穿刺针辅助系统，其特征在于，所述患处模型生成模块，用于执行以下步骤：建立包含有患者的皮肤患处区域的部分人体表面三维模型，作为基本三维模型；获取多张不同角度的皮肤患处区域的高清图像作为患处图像集；将患处图像融合到基本三维模型表面，形成患处三维模型；其中所述皮肤患处区域为包含医生在患者皮肤患处外围边缘贴敷的至少为16的偶数个定位标志贴的区域；所述高清图像为4K分辨率图像。3.根据权利要求2所述的一种数字孪生皮肤穿刺针辅助系统，其特征在于，所述将患处图像融合到基本三维模型表面形成患处三维模型的步骤，具体包括：对患处图像集进行包括校正畸变、切除边缘、去噪的预处理得到第一图像集；获取基本三维模型中所有的定位标志贴对应的点作为参考点，形成参考点集；根据参考点将基本三维模型分为多个四边形栅格，形成四边形栅格集；将第一图像集中的每个图像，根据四边形栅格集中的每个四边形栅格进行切割，得到多个图像切片形成图像切片集；针对四边形栅格集中的每个四边形栅格，选择与四边形栅格相似度最高的图像切片作为贴图切片；将所有贴图切片贴到所述基本三维模型的对应位置，形成患处三维模型。
4.根据权利要求3所述的一种数字孪生皮肤穿刺针辅助系统，其特征在于，其中，根据参考点将基本三维模型分为多个四边形栅格的步骤，具体包括：建立外接球：获取基本三维模型的最小外接球，以外接球的中心为原点，建立原点到基本模型上的每个参考点的射线，该射线与最小外接球的连线为参考点对应的外接点；贝尔曼投影：将所有外接点在进行墨卡托投影，得到多个投影点组成的投影点集；建立平面坐标系：以所有投影点的几何中心为原点，以原点到任意一个投影点的连线所在直线为x轴，建立平面坐标系；点集排序：根据投影点的坐标，按照顺时针或逆时针方向排列；构建凸包：使用凸包算法对投影点集进行处理，得到投影点集的凸包，其中凸包是一个由点组成的凸多边形；找出相邻连线：将凸包上的点与它们的相邻点相连；消除非法边：删除凸包中不相邻点组成的边，并将不相邻点的连线移除或替换为更近的相邻点之间的连线；得到投影圈：将非法边移除后就可以得到一个满足条件的投影圈，将不在投影圈上的投影点设置为废弃投影点；参考点筛选：删除参考点集中废弃投影点对应的参考点；参考点编号：以相邻最近的两个参考点作为第一起始参考点和第二起始参考点，其中，第一起始参考点在第二起始参考点的逆时针方向，第一起始参考点和第二起始参考点的编号均为0，以第一起始参考点为起始点沿着顺时针方向逐一对每个参考点进行+1编号，同步的，以第二起始参考点为起点沿着逆时针方向逐一对每个参考点进行

【专利技术属性】
技术研发人员：王颖，王涛，吴静芬，密顺塘，
申请(专利权)人：青岛市市立医院，
类型：发明
国别省市：