CN107316554A - 一种心脏介入术虚拟训练系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种心脏介入术虚拟训练系统，该系统使操作人员可以通过观察虚拟场景内导丝以及病灶处的位置来控制手中的导丝移动与旋转，从而使得导丝能够到达血管病灶处，最终使得操作者能够通过对虚拟训练系统中提供的多种血管模型病例进行操作训练从而体验到丰富实例的心脏介入术的手术过程，达到术前辅助医生训练的目的。
Description
技术领域
本发明涉及现代医学教学领域，具体涉及一种关于心脏介入术虚拟训练系统的研究。
背景技术
随着时代的发展，人民生活水平日益提高，由于肥胖或者长期不良的生活方式，使得血管疾病严重威胁人类健康，成为了人类疾病死亡的头号杀手。由心血管病引发的疾病中，冠心病是最主要的病理原因，冠心病是指冠状动脉发生粥样硬化，使得血管管腔变窄或阻塞，从而造成心肌缺少血氧供应甚至发生坏死的一种心脏病。它的病理主要是由于血管管腔内脂肪沉积，导致冠脉血管的内壁变厚，从而使得冠状动脉管腔由于发生堵塞而变窄，影响了心肌血氧的正常供应，继而产生一系列的心脏病变。随着现代医学技术的发展，冠状动脉介入手术已成为冠心病的主要治疗手段。
冠状动脉介入手术疗法就是在医学影像的引导之下，借用某种特制的导管和器械，通过经皮穿刺或者通过人体某个原有通道，插入人体到达病变部位，将支架放置入血管以支撑血管壁，从而疏通阻塞管腔的治疗方法。
近年来，随着患者自我保护意识的增强，例如在心脏介入术这种高精度操作要求的手术中，实习医生想在临床实践中积累经验的机会越来越少，远离现实临床环境下的操作练习已经成为了现代医学上培养人才的瓶颈之一。一位合格的心血管介入手术医生的培训过程通常需要大约7年的时间，在培训期间实习医生需要多次参与临床前(术前)和临床(术中)的培训。传统的训练方式有四种：捐献出来的尸体，人体仿真模型、动物、患病者，但由于各种各样的原因，这些方式都存在着各自明显的不足和局限，不利于医生的操作训练以及医生之间的相互交流。
目前，虚拟手术训练系统得到了各大研究机构越来越多的青睐，并取得了一些实质性的进展，但也存在着一些局限：
1、在国外虽然虚拟手术训练系统的研究起步较早，但是由于虚拟手术训练系统涉及多个学科的综合，研究起来难度比较大，所以其中的大部分产品现阶段仍然处于临床试验阶段，即使有一少部分产品问世，也因为其价格昂贵，难以普及。
2、在国内虚拟手术训练系统研究起步较晚，各大高校大多数也是针对虚拟手术训练系统的不同环节进行了不同程度的研究，但是关于心脏介入术虚拟训练的研究较少。
发明内容
本发明的目的就是能够设计一种心脏介入术虚拟训练系统，该系统使操作人员可以通过观察虚拟场景内导丝以及病灶处的位置来控制手中的导丝移动或旋转，从而使得导丝能够到达血管病灶处，最终使得操作者能够通过对虚拟训练系统中提供的多种血管模型病例进行操作训练从而真正体验到心脏介入术的手术过程，达到术前手术辅助医生训练的目的。
为实现以上目的，本发明采用了以下技术方案：
一种心脏介入术虚拟训练系统，包括如下操作：
S1：搭建血管病灶三维重构平台并导出血管的数据模型，制作多种不同病灶部位的血管实体模型，建立心脏介入术虚拟训练系统的硬件回路部分；
S2：搭建心脏介入术虚拟训练系统的虚拟场景，并设计开发出相应的功能模块。在虚拟场景中完成血管和导丝的建模，并且能够根据运动信号实现虚拟导丝的运动模拟；
S3：利用虚拟现实中的立体光学追踪获取导丝各个标记点的三维坐标信息，通过接口将运动信号传输到虚拟系统中以控制虚拟导丝进行运动模拟。
进一步方案为：
制作血管的实体模型的方法为：通过基于冠心病病灶处的二维医学影像，通过基于Microsoft Visual Studio 2010环境下的MFC框架，并且配合使用VTK和ITK类库，搭建出血管病灶三维重构平台。基于螺旋式择优最小原则，以及五点式快速步进图像分割算法，分析出预处理中最优化参数，基于体绘制算法进而重构出血管病灶处三维模型，并能够导出为STL数据格式，随后通过3D打印技术制作出多种不同的血管病灶处的实体模型。
搭建虚拟场景及设计开发出相关功能模块的方法为：基于几何造型内核OpenCASCADE并结合VC++，创建了Open CASCADE单文档应用程序框架，并且基于MFC框架完成程序框架界面的总体设计，实现虚拟场景的构建，随后，在分析了STL文件的数据结构的基础上，通过调用Open CASCADE提供的StlAPI_Reader类完成虚拟场景中文件导入模块的开发；接着通过编辑参数设置对话框并调用Open CASCADE提供的曲线建模类以及拓扑对象算法类，实现任意参数化导丝模型的构建；最后，通过调用Open CASCADE提供的gp_Trsf类完成虚拟场景中模型位姿变换模块的设计开发。
实现虚拟场景与虚拟现实硬件的接口模块的方法为：采用虚拟现实中的立体光学跟踪系统，测量系统是由多个装有红外线滤波片的CCD摄像头构成，在测量前需要通过红外定位系统的标定获取其相机的内外部参数。在摄像头周围是红外线发射器，发射器产生红外光，由标记点上的特殊材料反射红外光，摄像头接收反射后的红外光。其标记点在图像上形成图像点。之后对其在各幅图像中的光点正确匹配，即找到空间同一发光点在图像上的匹配关系，并正确计算出该点的三维坐标。最后通过数据接口使得运动信号能够导入到虚拟训练系统中，根据导丝运动时各个标记点的三维坐标变化计算出导丝的运动方向和增量，以此来控制虚拟导丝对硬件回路中的介入导丝实现同步运动模拟。
通过上述技术方案完成的心脏介入术虚拟训练系统，能够针对个性化、极端情况下的病灶进行血管介入术虚拟手术训练，并且开发出的系统避免了使用商业软件无法获取后台接口以及无法针对需求进行二次开发的局限。
附图说明
图1为构件本发明的流程示意图；
图2为本发明的结构示意图。
具体实施方案
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
实施例1
1、通过将美国Volcano S5 Imaging System图形采集设备采集到的527张冠心病病灶处二维图像，导入到开发出的冠心病血管病灶三维重构平台中，重构出血管模型，并导出为STL格式。
2、通过3D打印技术，选取Tango Plus作为打印材料，使用Object系列的Eden260V打印机，利用PolyJet技术，制作出血管实体模型。
3、采用编辑参数设置对话框方式，通过在导丝节点参数信息的对话中，在弯曲部分和直线部分两栏分别输入Mark点的x、y、z坐标值，点击“确定”，构建出任意参数化的导丝模型。
4、在开发出的心脏介入术虚拟训练系统的虚拟场景中，点击菜单项的“导入模型”按钮，在弹出的对话框中选择通过冠心病血管病灶三维重构平台导出的血管STL文件路径，将血管模型加载并显示在虚拟场景中。
5、采用编辑参数设置对话框的方式，在虚拟场景中，通过鼠标点选所要进行交互操作的血管和导丝模型，点选后，在虚拟场景界面的工具处中，点选平移、旋转功能的快捷按钮，在弹出的对话框中分别在平移向量、旋转轴、旋转角度几栏中输入相应的参数变量，得到符合心脏介入术可操作的血管以及导丝的位置关系。
6、构建虚拟现实中的光学定位系统，用多个装有滤波片的摄像机组成该系统，并在摄像头周围安装红外线发射器。通过系统标定获取系统中各个部件的内部参数和部件之间的位置关系，即外部参数。
7、在介入导丝的标记点上制作能够反射红外线的特殊材料，当红外线发射器发射红外线后，通过摄像机拍摄到标记点反射出来的图像获取标记点的对应图像点，标记点位于多条光心与对应图像点连成的直线的交点处。根据已知的摄像机内外部参数，通过双目视觉原理和匹配算法计算出标记物的空间坐标信息。
8、在虚拟训练系统中，当获取到接口传输进来的运动信号之后，根据各个标记点的三维坐标变化计算出导丝的运动方向和增量，再通过使用Opencascade中的SetTranslation指令和SetRotation指令使得系统能够按照运动信号中描述的运动方向和增量实现虚拟导丝的前进后退以及旋转运动，在虚拟场景中实现导丝实时运动仿真模拟。
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来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其做出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种心脏介入术虚拟训练系统，包括如下操作：
S1：搭建血管病灶三维重构平台并导出血管的数据模型，制作多种不同病灶部位的血管实体模型，建立心脏介入术虚拟训练系统的硬件回路部分；
S2：搭建心脏介入术虚拟训练系统的虚拟场景，并设计开发出相应的功能模块；
S3：利用虚拟现实中的立体光学追踪获取导丝各个标记点的三维坐标信息，通过接口将运动信号传输到虚拟系统中以控制虚拟导丝进行运动模拟。
2.根据权利要求1所述的心脏介入术虚拟训练系统，其特征在于，步骤S1中：通过基于Microsoft Visual Studio 2010环境下的MFC框架，配合使用VTK和ITK类库创建了Ribbon栏、显示区以及功能操作导航栏，搭建血管病灶三维重构平台的操作面板界面。
3.根据权利要求2所述的心脏介入术虚拟训练系统，其特征在于：采用亮度变换、中值与均值双滤波、五点式图像分割、等值面体绘制的方法构建病患部位三维模型。
4.根据权利要求2所述的心脏介入术虚拟训练系统，其特征在于，步骤S1中：通过将美国Volcano S5Imaging System图形采集设备采集冠心病病灶处二维图像，导入到开发出的冠心病血管病灶三维重构平台中，重构出血管模型。
5.根据权利要求1所述的心脏介入术虚拟训练系统，其特征在于：采用Open CASCADE开发虚拟场景框架，完成菜单栏和工具栏的设计，建立STL文件的导入模块。
6.根据权利要求5所述的心脏介入术虚拟训练系统，其特征在于：通过Open CASCADE几何内核提供的类库对介入导丝依据曲率分段建模，通过组合得到完整的导丝模型。
7.根据权利要求1所述的心脏介入术虚拟训练系统，其特征在于：通过3D打印技术，选取透明类橡胶材料按照三维重构模型打印出多种血管病灶位置的实体模型，训练人员可以根据实际需要选择合适的模型进行更有针对性的训练。
8.根据权利要求7所述的心脏介入术虚拟训练系统，其特征在于：选取Tango Plus作为透明类橡胶材料打印材料，使用Eden260V打印机，利用PolyJet技术制作出血管实体模型。
9.根据权利要求1所述的心脏介入术虚拟训练系统，其特征在于：利用虚拟现实技术中的立体光学追踪技术，通过多个摄像机获取到的图像信息进行计算得出导丝上各个标记点的三维坐标信息。
10.根据权利要求11所述的心脏介入术虚拟训练系统，其特征在于：根据各个标记点的三维坐标变化计算出导丝的运动方向和增量，再通过使用Open CASCADE中的类库指令使得系统能够按照运动信号中描述的运动方向和增量实现虚拟导丝的前进后退以及旋转运动。
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