CN103106348A - 虚拟外科手术模拟方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数字化医学以及计算机辅助外科领域，提供了一种虚拟外科手术模拟方法以及装置，所述方法包括如下步骤：（1）对颅颌面进行CT平扫获取扫描数据；（2）利用计算机根据所述扫描数据进行骨组织的三维重建，并进行模拟截骨操作建立颅颌面骨的树状结构模型；（3）操作者通过佩戴光谱分离立体眼镜在虚拟现实互动操作平台上进行骨块三维空间任意视角观察，辅助操作者进行术前设计；（4）操作者通过佩戴数据手套在虚拟现实空间内对所述颅颌面骨的树状结构模型进行骨块三维空间旋转和移位模拟，并通过一与所述计算机相连的触觉反馈设备产生实时力反馈感知，辅助操作者进行外科手术模拟。本发明沉浸感强、交互性强，且简单、高效、易于操作。
Description
技术领域
本发明涉及数字化医学以及计算机辅助外科领域，尤其涉及一种进行正颌虚拟手术的设计及模拟的虚拟外科手术模拟方法以及装置。
背景技术
传统的正颌手术设计及模拟是建立在头影测量分析或计算机颅面轮廓图二维平面基础上的，存在解剖结构重叠、信息丢失、二维数据不能完全反映三维结构、诊断及手术方案制定困难，术后效果难以预测的缺点，尤其对于面部不对称及复杂畸形的患者。而现在临床应用的三维手术设计及模拟软件，尽管实现了在三维重建模型上进行操作，但是仍在传统二维显示屏上显示，一定程度上限制了三维模拟显示的效果和意义。
在医学手术设计和仿真训练等方面，虚拟现实技术有着不可替代的和令人鼓舞的应用前景。很多学者尝试进行虚拟手术的研究，构建颅颌面三维模型和力传播模型（force propagation model, FPM）模拟骨及软组织的切割，剥离、定量移动，部分实现了图像及力的实时感知反馈，模拟了手术操作。但图像及力触觉反馈模型的构建是一个技术难题，也是妨碍医学虚拟技术发展的瓶颈。软件开发困难，计算量大，对硬件要求高，且模拟效果欠佳。
对虚拟外科手术而言，在CT数据重建出来的三维模型上进行切割、截骨、位移等手术操作是此类研究的难点。同时为了达到逼真、沉浸感强的虚拟手术效果，需要实现图像及力触觉的实时反馈。很多学者在此方面也进行了大量的研究，探讨图像及力触觉反馈模型的构建及算法实现。但由于技术要求高，运算复杂，缺乏一种理想的建模方法。现有技术方法主要存在开发软件复杂、运算速度较慢，实时性较差；图像变化难以模拟现实情况；力触觉感知反馈难以实现等问题。因此在虚拟技术三大核心要素（沉浸感、交互性、构想性）上效果较差。同时由于软硬件要求较高，也限制了虚拟手术设计的应用及推广。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种虚拟外科手术模拟方法及其装置，解决现有技术在虚拟技术三大核心要素：沉浸感、交互性、构想性上效果较差，同时对于软硬件要求较高的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种虚拟外科手术模拟方法，包括如下步骤：（1）对颅颌面进行CT平扫获取扫描数据；（2）利用计算机根据所述扫描数据进行骨组织的三维重建，并进行模拟截骨操作建立颅颌面骨的树状结构模型；（3）操作者通过佩戴光谱分离立体眼镜在虚拟现实互动操作平台上进行骨块三维空间任意视角观察，辅助操作者进行术前设计；（4）操作者通过佩戴数据手套在虚拟现实空间内对所述颅颌面骨的树状结构模型进行骨块三维空间旋转和移位模拟，并通过一与所述计算机相连的触觉反馈设备产生实时力反馈感知，辅助操作者进行外科手术模拟。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种虚拟外科手术模拟装置，包括CT扫描设备、计算机、光谱分离立体眼镜、数据手套、触觉反馈设备以及虚拟现实互动操作平台；所述CT扫描设备用于对颅颌面进行CT平扫获取扫描数据，并将所述扫描数据输入所述计算机；所述计算机用于根据所述扫描数据进行骨组织的三维重建，并进行模拟截骨操作建立颅颌面骨的树状结构模型；操作者通过佩戴光谱分离立体眼镜在虚拟现实互动操作平台上进行骨块三维空间任意视角观察，辅助操作者进行术前设计；操作者通过佩戴数据手套在虚拟现实空间内对所述颅颌面骨的树状结构模型进行骨块三维空间旋转和移位模拟，并通过与所述计算机相连的触觉反馈设备产生实时力反馈感知，辅助操作者进行外科手术模拟。
本发明的优点在于：利用预先截骨构造颅颌面骨“树状”结构模型，在虚拟现实平台上进行正颌手术设计、模拟及术后效果预测，实现了颅颌面模型的虚拟显示，可任意视角观察，沉浸感强。手术模拟过程中实现了实时的图像反馈及力、触觉感知，交互性强。从视、触觉感知上模拟了真实的手术操作，既可以行术前设计及手术规划，又能够手术模拟操作，满足了手术教学及操作训练的需要。成功实现了正颌手术模拟，且简单、高效、易于操作，便于临床推广及普及，具有较高的应用价值及意义。
附图说明
图1，本发明所述虚拟外科手术模拟方法的具体实施方式的流程示意图；
图2，本发明一实施例的颅颌面骨组织的三维重建模型效果图；
图3，本发明一实施例的模拟截骨操作效果图；
图4A-4C，本发明一实施例的虚拟环境下行正颌手术截骨移位模拟效果图，其中图4A为上颌骨Le FortⅠ型截骨前移效果图，图4B为双侧下颌升支矢状劈开后退效果图，图4C为颏成形前移术效果图；
图5，本发明所述虚拟外科手术模拟装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的虚拟外科手术模拟方法及其装置的具体实施方式做详细说明。
首先结合附图给出本发明所述虚拟外科手术模拟方法的具体实施方式。
图1所示是本具体实施方式提供的虚拟外科手术模拟方法的流程示意图，接下来对图1所示的步骤做详细说明。
S11：对颅颌面进行CT平扫获取扫描数据。
CT（Computer-aided Tomograph，计算机断层扫描）是利用计算机技术对被测物体断层扫描图像进行重建获得三维断层图像的扫描方式。CT平扫是指连续、无间隔、无重叠、螺旋方式水平位薄层扫描。扫描的层厚可以为0.625mm；扫描图像采用的像素为512×512像素，所用仪器的电压为140kV，电流为250mA。扫描基准面平行于眶耳平面、垂直于水平面。扫描范围为颅顶至舌骨水平。扫描数据的输出格式为DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine，数字影像和通信标准) 格式，并刻录成光盘存储，以方便扫描数据的输出。其中，颅颌面指颅顶至舌骨水平间颅颌面解剖结构；眶耳平面的解剖标志是由眼眶下缘到外耳道上缘构成的平面。
S12：利用计算机根据所述扫描数据进行骨组织的三维重建，并进行模拟截骨操作建立颅颌面骨的树状结构模型。
将DICOM 格式的CT数据输入计算机，载入同时图像重建成体数据，即各骨块经体数据重建，形成三维体数据的模型。重建的体数据模型包含模型内部数据信息，也利于模型的切割重建。改变CT值的窗宽、窗位，使图像中只包含完整的骨组织，设置此时的CT值为CT洪斯菲尔德（Hounsfield）阈值来自动提取骨组织；当CT值在所述阈值状态下可以使得图像只显示骨组织。经二维预处理（区域剪切、滤波）以及三维预处理（切片插值、图像分割、切片重组），进行骨组织的三维重建，得到三维重建的颅颌面骨组织模型。参考图2，本发明一实施例的颅颌面骨组织的三维重建模型效果图。其中所述计算机可以采用Surgicase软件系统，SurgiCase软件是计算机辅助的颅颌面外科手术设计专业软件。
在三维重建的颅颌面骨组织模型上，进行区域增长（Region Growing）、三维布尔运算(Boolean Operations)，分离上、下颌骨；其中，三维布尔运算是对两个以上的物体进行并集、差集、交集的运算，从而得到新的物体形态。利用Surgicase软件模拟截骨操作功能，在颅颌面骨组织模型上进行上颌骨Le Fort Ⅰ型截骨术（又称全上颌截骨术，Total Maxillary Osteotomy）、双侧下颌升支矢状劈开术（Bilateral Sagittal Split Ramus Osteotomy，简称BSSRO）、颏成形截骨术，将头颅模型分割，建立颅颌面骨的“树状”结构模型，并且每个骨块具有自己的ID号，便于切割模型间的区分。参考图3，本发明一实施例的模拟截骨操作效果图，包括在颅颌面骨组织模型上进行上颌骨Le Fort Ⅰ型截骨术、双侧下颌升支矢状劈开术、颏成形截骨术。其中，各骨块模型转换输出图形通用STL（STereo Lithography）格式。STL 是一种3D模型文件格式，是一种为快速原型制造技术服务的三维图形文件格式。
继续参考图1，建立颅颌面骨的“树状”结构模型后，操作者就可以在虚拟现实互动操作平台上进行上颌骨Le FortⅠ 型截骨、BSSRO及颏成形术的手术设计以及模拟操作。其中，虚拟现实互动操作平台例如可以是VR-Flier平台或者其他面向虚拟现实的软件平台，目前，VR-Flier为面向虚拟现实(VirtualReality，VR)通用的应用开发软件平台。
S13：操作者通过佩戴光谱分离立体眼镜在虚拟现实互动操作平台上进行骨块三维空间任意视角观察，辅助操作者进行术前设计。
操作者通过佩戴光谱分离立体眼镜观察显示器上的三维虚拟图像（即所述颅颌面骨的树状结构模型），选择需要观察移位的骨块（上颌骨、下颌骨及其截骨块等），在虚拟环境下任意角度显示，进行术前设计。
S14：操作者通过佩戴数据手套在虚拟现实空间内对所述颅颌面骨的树状结构模型进行骨块三维空间旋转和移位模拟，并通过一与计算机相连的触觉反馈设备产生实时力反馈感知，辅助操作者进行外科手术模拟。
操作者通过双手佩戴数据手套在虚拟现实空间内对颅颌面骨的树状结构模型进行操作，操作者抓持所需移动的骨块模型，在三维空间进行平移、旋转等操作，改变它们的相对位置来模拟手术骨块的移动，以实现矫治颌骨畸形；并通过触觉反馈设备（例如Phantom Desktop力反馈设备）在接触、抓持碰撞模型过程中产生实时力反馈感知。骨块移动过程中，与邻近骨的接触、碰撞时，利用Phantom Desktop力反馈设备可感知其反作用力。其中虚拟现实(Virtual Reality，简称VR，又译作灵境、幻真)是一项综合集成技术，它用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，使人作为参与者通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用；使用者进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回产生临场感。
在本具体实施方式中，所述方法还包括步骤S15：对虚拟外科手术术后效果进行显示。
参考图4A-4C，本发明一实施例的虚拟环境下行正颌手术截骨移位模拟效果图，其中图4A为上颌骨Le Fort Ⅰ型截骨前移效果图，图4B为双侧下颌升支矢状劈开后退效果图，图4C为颏成形前移术效果图。利用视觉、触觉及力觉多感知交互模型，模拟真实的手术操作，在虚拟平台上进行骨块三维空间旋转、移位模拟，实现图像及力、触觉感知的实时反馈，最大可能地模拟真实手术过程，完成正颌手术设计、操作训练及术后效果显示，减小了软件运算量，解决了截骨操作的难题，使虚拟手术模拟简便易行。
本发明利用预先截骨构造颅颌面骨“树状”结构模型，在虚拟现实平台上进行正颌手术设计、模拟及术后效果预测。实现了颅颌面模型的虚拟显示，可任意视角观察，沉浸感强。手术模拟过程中实现了实时的图像反馈及力、触觉感知，交互性强。从视、触觉感知上模拟了真实的手术操作，既可以行术前设计及手术规划，又能够手术模拟操作，满足了手术教学及操作训练的需要。成功实现了正颌手术模拟，且简单、高效、易于操作，便于临床推广及普及，具有较高的应用价值及意义。
接下来结合附图给出本发明所述虚拟外科手术模拟装置的具体实施方式。
图5所示是本具体实施方式提供的虚拟外科手术模拟装置的示意图，包括CT扫描设备51、计算机52、虚拟现实互动操作平台53、光谱分离立体眼镜54、数据手套55、触觉反馈设备56以及显示单元57。
所述CT扫描设备51用于对颅颌面进行CT平扫获取扫描数据，并将所述扫描数据输入所述计算机52。CT平扫的扫描层厚可以为0.625mm；扫描图像采用的像素为512×512像素，所用仪器的电压为140kV，电流为250mA。扫描基准面平行于眶耳平面、垂直于水平面。扫描范围为颅顶至舌骨水平。扫描数据的输出格式为DICOM格式，并刻录成光盘存储，以方便扫描数据的输出。
所述计算机52用于根据所述扫描数据进行骨组织的三维重建，并进行模拟截骨操作建立颅颌面骨的树状结构模型。其中所述计算机52可以采用Surgicase软件系统。
在本具体实施方式中，所述计算机52进一步包括：载入单元521、阈值设置单元522以及三维重建单元523。
所述载入单元521用于将DICOM 格式的扫描数据载入计算机52，载入同时图像重建成体数据。
所述阈值设置单元522用于改变CT值的窗宽、窗位，使图像中只包含完整的骨组织，并设定此时的CT值为CT洪斯菲尔德阈值来自动提取骨组织；当CT值在所述阈值状态下可以使得图像只显示骨组织。
所述三维重建单元523用于将所述载入单元521载入的所述扫描数据经二维预处理和三维预处理来进行骨组织的三维重建，得到三维重建的颅颌面骨组织模型。
在本具体实施方式中，所述计算机52还包括：分离单元524以及模型建立单元525。
所述分离单元524用于在所述三维重建单元523三维重建的颅颌面骨组织模型上进行区域增长、三维布尔运算，分离上、下颌骨。
所述模型建立单元525用于利用计算机52模拟截骨操作功能，在经所述分离单元524分离上、下颌骨后的颅颌面骨组织模型上进行上颌骨Le Fort Ⅰ型截骨术、双侧下颌升支矢状劈开术、颏成形截骨术，建立颅颌面骨的树状结构模型。其中，每个骨块具有自己的ID号，各骨块模型转换输出图形通用STL格式。
通过计算机52的所述模型建立单元525建立颅颌面骨的“树状”结构模型后，操作者就可以在虚拟现实互动操作平台53上进行上颌骨Le FortⅠ 型截骨、BSSRO及颏成形术的手术设计以及模拟操作。
操作者通过佩戴光谱分离立体眼镜54在虚拟现实互动操作平台53上进行骨块三维空间任意视角观察，辅助操作者进行术前设计。操作者通过佩戴光谱分离立体眼镜54观察显示单元57的三维虚拟图像（即所述颅颌面骨的树状结构模型），选择需要观察移位的骨块（上颌骨、下颌骨及其截骨块等），在虚拟环境下任意角度显示，进行术前设计。
操作者通过佩戴数据手套55在虚拟现实空间内对所述颅颌面骨的树状结构模型进行骨块三维空间旋转、移位模拟，并通过与所述计算机52相连的触觉反馈设备56产生实时力反馈感知，辅助操作者进行外科手术模拟。操作者通过双手佩戴数据手套可以在虚拟现实空间内抓持所需移动的骨块模型，在三维空间进行平移、旋转等操作，改变它们的相对位置来模拟手术骨块的移动，以实现矫治颌骨畸形；并在骨块移动过程中与邻近骨的接触、碰撞时通过触觉反馈设备产生实时力反馈感知。
所述显示单元57用于显示术前设计以及外科手术模拟过程中所产生的颅颌面骨组织模型、截骨操作过程、颅颌面骨的树状结构模型以及虚拟手术过程中的各骨块模型。其中，所述显示单元57可以采用所述计算机52的显示器进行相应信息的显示。
在本具体实施方式中，所述显示单元57还用于对虚拟外科手术术后效果进行显示。例如对上颌骨Le Fort Ⅰ型截骨前移手术前后的颅颌面骨的树状结构模型进行显示；对双侧下颌升支矢状劈开后退手术前后的颅颌面骨的树状结构模型进行显示；对颏成形前移术手术前后的颅颌面骨的树状结构模型进行显示。通过对术后效果进行显示，可以方便对术后效果进行直观观察以及评价。
利用视觉、触觉及力觉多感知交互模型，模拟真实的手术操作，在虚拟平台上进行骨块三维空间旋转、移位模拟，实现图像及力、触觉感知的实时反馈，最大可能地模拟真实手术过程，完成正颌手术设计、操作训练及术后效果显示，减小了软件运算量，解决了截骨操作的难题，使虚拟手术模拟简便易行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种虚拟外科手术模拟方法，其特征在于，包括如下步骤： （1）对颅颌面进行CT平扫获取扫描数据； （2）利用计算机根据所述扫描数据进行骨组织的三维重建，并进行模拟截骨操作建立颅颌面骨的树状结构模型； （3）操作者通过佩戴光谱分离立体眼镜在虚拟现实互动操作平台上进行骨块三维空间任意视角观察，辅助操作者进行术前设计； （4）操作者通过佩戴数据手套在虚拟现实空间内对所述颅颌面骨的树状结构模型进行骨块三维空间旋转和移位模拟，并通过一与所述计算机相连的触觉反馈设备产生实时力反馈感知，辅助操作者进行外科手术模拟。
2.根据权利要求1所述的虚拟外科手术模拟方法，其特征在于：所述方法还包括： （5）对虚拟外科手术术后效果进行显示。
3.根据权利要求1所述的虚拟外科手术模拟方法，其特征在于： 步骤（1）中CT平扫的扫描基准面平行于眶耳平面并垂直于水平面，扫描范围为颅顶至舌骨水平，扫描数据输出格式为医学数字成像和通讯标准格式。
4.根据权利要求1所述的虚拟外科手术模拟方法，其特征在于： 步骤（2）根据所述扫描数据进行骨组织的三维重建进一步包括： （21）将所述扫描数据载入计算机，载入同时图像重建成体数据； （22）改变CT值的窗宽和窗位，使图像中只包含完整的骨组织，并设定此时的CT值为CT洪斯菲尔德阈值来自动提取骨组织； （23）所述扫描数据经二维预处理和三维预处理来进行骨组织的三维重建。
5.根据权利要求1所述的虚拟外科手术模拟方法，其特征在于： 步骤（2）进行模拟截骨操作建立颅颌面骨的树状结构模型进一步包括： （24）在三维重建的颅颌面骨组织模型上进行区域增长和三维布尔运算，分离上、下颌骨； （25）利用计算机模拟截骨操作功能，在颅颌面骨组织模型上进行上颌骨Le Fort Ⅰ型截骨术、双侧下颌升支矢状劈开术、颏成形截骨术，建立颅颌面骨的树状结构模型。
6.一种虚拟外科手术模拟装置，其特征在于：包括CT扫描设备、计算机、光谱分离立体眼镜、数据手套、触觉反馈设备以及虚拟现实互动操作平台； 所述CT扫描设备用于对颅颌面进行CT平扫获取扫描数据，并将所述扫描数据输入所述计算机； 所述计算机用于根据所述扫描数据进行骨组织的三维重建，并进行模拟截骨操作建立颅颌面骨的树状结构模型； 操作者通过佩戴光谱分离立体眼镜在虚拟现实互动操作平台上进行骨块三维空间任意视角观察，辅助操作者进行术前设计； 操作者通过佩戴数据手套在虚拟现实空间内对所述颅颌面骨的树状结构模型进行骨块三维空间旋转和移位模拟，并通过与所述计算机相连的触觉反馈设备产生实时力反馈感知，辅助操作者进行外科手术模拟。
7.根据权利要求6所述的虚拟外科手术模拟装置，其特征在于：所述装置还包括显示单元： 所述显示单元用于对虚拟外科手术术后效果进行显示。
8.根据权利要求6所述的虚拟外科手术模拟装置，其特征在于： 所述CT扫描设备进行CT平扫的扫描基准面平行于眶耳平面并垂直于水平面，扫描范围为颅顶至舌骨水平，扫描数据输出格式为医学数字成像和通讯标准格式。
9.根据权利要求6所述的虚拟外科手术模拟装置，其特征在于： 所述计算机进一步包括：载入单元、阈值设置单元以及三维重建单元； 所述载入单元用于将所述扫描数据载入计算机，载入同时图像重建成体数据； 所述阈值设置单元用于改变CT值的窗宽和窗位，使图像中只包含完整的骨组织，并设定此时的CT值为CT洪斯菲尔德阈值来自动提取骨组织； 所述三维重建单元用于将所述载入单元载入的所述扫描数据经二维预处理和三维预处理来进行骨组织的三维重建。
10.根据权利要求6所述的虚拟外科手术模拟装置，其特征在于： 所述计算机进一步包括：分离单元以及模型建立单元； 所述分离单元用于在三维重建的颅颌面骨组织模型上进行区域增长和三维布尔运算，分离上、下颌骨； 所述模型建立单元用于利用计算机模拟截骨操作功能，在颅颌面骨组织模型上进行上颌骨Le Fort Ⅰ型截骨术、双侧下颌升支矢状劈开术、颏成形截骨术，建立颅颌面骨的树状结构模型。
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| PB01 | Publication | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130515 |