CN110400620B - 一种心脏三维模型构建方法及模拟心脏手术指导系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种心脏三维模型构建方法及模拟心脏手术指导系统，用于解决现有技术中心脏外科手术训练方式单一、成本高昂、无法模拟真实手术场景、无法实现术前手术模拟、兼容的心脏模型少、训练效率较低的技术问题；一种虚拟现实模拟心脏手术指导系统，包括：虚拟现实显示设备、控制输入设备、存储器和中央处理器；实施本发明的技术方案，展示心脏动态模型，使医生了解心脏运动过程；通过VR技术实现真实手术场景的沉浸式训练，优化训练效果；医生使用VR手柄VR眼镜进行训练，训练成本低；心脏模型分为多个模块，可独立编辑，便于构建多种病理心脏动态模型，提高系统兼容性；设置无线传输模块和有线传输模块，多人共同观看，提高训练效率。
Description
技术领域
本发明涉及手术指导领域，特别涉及一种心脏三维模型构建方法及模拟心脏手术指导系统。
背景技术
然而，心脏手术危险程度高，对手术医生的经验要求高，因此，医生需要经过大量的培训才可进行心脏外科手术。
然而现有技术中，医生学习心脏外科手术主要有两种方式。其一是观看手术视频，通过视频资料进行学习。在这种学习方式中，观看后不能实时进行训练，学习效率较低，并且视频为过去的手术视频，种类较少。其二是通过仿真心脏进行训练，在这种学习方式中，并没有真实的手术环境，并且需要大量的仿真心脏，成本较高，并且难以在短期内定制生产，无法在患者术前实现手术模拟。
因此需要一种适用多种心脏模型、体验真实、成本较低、可实现术前模拟的模拟心脏手术指导系统。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种心脏三维模型构建方法及模拟心脏手术指导系统，本发明的技术方案是这样实施的：
一种虚拟现实模拟心脏手术指导系统，包括：虚拟现实显示设备、控制输入设备、存储器和中央处理器；所述控制输入设备将控制信息传输至所述中央处理器；所述中央处理器将虚拟现实数据传输至所述虚拟现实显示设备；所述存储器存储手术信息；所述手术信息包括一个以上的心脏动态模型；所述心脏动态模型包括心室模块、心房模块和血管模块；所述手术信息还包括手术工具模型和手术提示信息；所述心脏动态模型适用于患者的手术方案。
优选地，所述虚拟现实显示设备包括VR眼镜，所述控制输入设备包括VR手柄。
优选地，所述虚拟现实显示设备还包括AR眼镜或显示屏。
优选地，所述虚拟现实模拟心脏手术指导系统，还包括连接至所述中央处理器的无线传输装置和/或有线传输装置。
优选地，所述手术信息还包括手术室环境信息。
优选地，所述手术信息还包括手术指导视频。
一种心脏三维模型构建方法，用于构建具有前述特征的一种虚拟现实模拟心脏手术指导系统中的心脏动态模型，包括：S1：获取DICOM心脏数据；S2：划分左心房数据、右心房数据、左心室数据、右心室数据和血管数据；S3：根据所述左心房数据、所述右心房数据、所述左心室数据、所述右心室数据和所述血管数据，构建所述心室模块、所述心房模块和所述血管模块；S4：重复S1-S3获取多个心脏三维模型；S5：根据所述多个心脏三维模型获取所述心脏动态模型。
实施本发明的技术方案可解决现有技术中心脏外科手术训练方式单一、成本高昂、无法模拟真实手术场景、无法实现术前手术模拟、兼容的心脏模型少、训练效率较低的技术问题；实施本发明的技术方案，展示心脏动态模型，使医生了解心脏运动过程；通过VR技术实现真实手术场景的沉浸式训练，优化训练效果；医生使用VR手柄VR眼镜进行训练，训练成本低；心脏模型分为多个模块，可独立编辑，便于构建多种病理心脏动态模型，提高系统兼容性；设置无线传输模块和有线传输模块，多人共同观看，提高训练效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种具体实施方式的手术指导系统结构示意图；
图2为本发明的一种具体实施方式的心脏三维模型构建方法。
在上述附图中，各图号标记分别表示：
1-虚拟现实显示设备；2-控制输入设备；3-存储器；4-中央处理器；5-无线传输装置；6-有线传输装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的一种具体实施方式中，一种虚拟现实模拟心脏手术指导系统，如图1所示，包括：虚拟现实显示设备1、控制输入设备2、存储器3和中央处理器4；控制输入设备2将控制信息传输至中央处理器4；中央处理器4将虚拟现实数据传输至虚拟现实显示设备1；存储器3存储手术信息；手术信息包括一个以上的心脏动态模型；心脏动态模型包括心室模块、心房模块和血管模块。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，虚拟现实显示设备1包括VR眼镜，控制输入设备2包括VR手柄。
在一种优选的实施方式中，手术信息还包括手术工具模型。
在该具体实施方式中，使用PC作为中央处理器4和存储器3，使用医院现有设备即可，需要采购的设备较少，利于降低成本。存储器3中存储的多个心脏动态模型，可以分别为不同病种、不同手术阶段的心脏，供医生观察，手术工具模型包括术中常使用的手术刀、手术剪、止血钳等工具模型。用户可以通过VR手柄选择手术工具，通过按键输入等方式抓持手术工具。系统采集VR手柄在空间中位置的移动数据，用户可以通过移动VR手柄，模拟术中医生持手术工具进行手术。
当虚拟空间中的手术工具接触心脏动态模型后，医生可以通过按键和手部动作模拟术中止血、划开组织等操作。当手术工具的模型与心脏动态模型重合同时医生输入操作信息时，系统读取手术工具的模型和心脏动态模型的重合位置以及操作信息，从而判断医生正在进行的手术操作，并且根据手术操作和操作的位置更换合适的心脏动态模型，在视觉上体现出手术正在进行的效果。在医生的视野中，心脏动态模型保持跳动，相比于使用静态的心脏模型，医生可以了解到心脏跳动时各部位得变化，可以模拟真实的手术场景。
存储器3中还可以存储人体模型，在虚拟空间中将心脏动态模型放置于人体模型对应的位置，提高医生体验的真实感。在进行较为精细的手术操作模拟时，系统也可以在人体外部构建放大的心脏动态模型，医生在放大的心脏动态模型上进行手术操作，便于医生观察精细操作产生的效果。
存储器3中还可以存储错误提示信息，当医生输入操作信息时，若系统对比手术工具模型和心脏动态模型的重合点，并未找到接下来用于展示的心脏动态模型，则系统可以判定医生进行了错误的操作，可以在VR眼镜视野中加入操作错误提示信息，也可以通过VR手柄的振动反馈提醒用户，实现对医生手术操作的实时纠错，利于加深医生对正确操作的记忆，提高医生的学习效率。
医生使用系统过程中，可以通过VR手柄输入控制信息，调整在三维空间中观察心脏三维模型的角度，利于医生多角度观察心脏动态模型，减少理解错误。
使用虚拟显示的方式进行手术操作的练习，场景逼真，体验真实并且成本低廉，无需准备仿真病理心脏动态模型。当出现新病种，新的病理心脏类型时，只需构建对应的心脏动态模型放入系统中，医生即可对稀有病种，高难度手术进行训练，扩展医生的知识面。
在一种优选的实施方式中，如图1所示，虚拟现实显示设备1还包括AR眼镜或显示屏。
在一种优选的实施方式中，一种虚拟现实模拟心脏手术指导系统，如图1所示，还包括连接至所述中央处理器4的无线传输装置5和或有线传输装置6。
医生可以选择利用AR眼镜，在真实环境中利用带有位置传感器的手术工具或VR手柄输入控制信息。
无线传输装置5为支持ZigBee技术、蓝牙技术、WIFI技术、CDMA技术等无线传输技术的设备，有线传输装置6可以为支持VGA、RS-485接口等设备，用于将显示数据传输至外部电脑、手机、平板等设备，供多名医生同时观看手术过程，实现一人操作，多人指导。该系统可以用于老师给学生示范手术操作，也可以用于老师指正学生的手术操作，可以增加系统的使用人数，同时使用方便，可以提高医生的学习效率。
在一种优选的实施方式中，手术信息还包括手术提示信息。
手术提示信息可以包括手术工具的名称、规格、使用注意、使用方法等手术工具信息，当医生操作VR手柄朝向虚拟空间中的手术工具时，手术工具对应的信息可以显示在手术工具旁，利于新医生进行学习和选择。手术提示信息还可以包括手术步骤提示信息，用于提示医生术中解下来要进行的操作，构建实时的学习反馈，加强医生的记忆。
在一种优选的实施方式中，手术信息还包括手术室环境信息。
手术室环境信息可以包括手术室内墙模型、病床模型、手术仪器模型、仪器音或提示音等信息，用于在虚拟世界中构建真实的手术室环境，使医生使用系统时可以获得沉浸式的手术体验，相比于演示视频等学习方法，沉浸式的手术体验可以大大加深医生对于手术操作的印象，煅炼医生的手术习惯，使新医生快速适应手术室环境。
在一种优选的实施方式中，手术信息还包括手术指导视频。
可以在虚拟空间中设置虚拟显示器用于播放手术指导视频，医生使用系统进行训练时，可以选择播放指导视频，观看对应视频后进行手术操作，也可以随着指导视频的播放、同步进行手术操作。医生也可以选择不播放指导视频，依靠经验进行手术训练。加入手术指导视频后，医生可以在学习手术操作后实时进行练习，加深印象，提高手术操作的学习效率。
一种心脏三维模型构建方法，用于构建具有前述特征的一种虚拟现实模拟心脏手术指导系统中的心脏三维模型，如图2所示，包括：S1：获取DICOM心脏数据；S2：划分左心房数据、右心房数据、左心室数据、右心室数据和血管数据；S3：根据左心房数据、右心房数据、左心室数据、右心室数据和血管数据，构建心室模块、心房模块和血管模块；S4：重复S1-S3，获取多个心脏三维模型；S5：根据多个心脏三维模型获取心脏动态模型。
DICOM心脏数据的来源可以是核磁共振、超声、CT、X射线设备获取的患者心脏检测数据，利于医院的现有检测设备即可获取，便捷高效。通过患者的心脏数据构建心脏三维模型用于训练系统，医生可以在训练系统中多角度观察患者的心脏三维模型，利于提高医生对患者病情诊断的准确度，高效设计适用于患者的手术方案。设计手术方案后，医生可以在训练模型中进行手术模拟，预测手术中可能出现的问题，提高手术成功率。
在该具体实施方式中，DICOM心脏数据的来源为CT数据，通过灰度等参数划分心脏数据，灰度相近处识别为同一组织，灰度变化较大处识别为不同组织的相接处。利用mimics软件对DICOM心脏数据进行区域划分以及3D建模。
以心室模块、心房模块和血管模块独立建立心脏三维模型，医生可以在训练过程中选择隐藏部分模块，从而单独观察心室、心房或血管，利于医生了解多种病症下的心脏结构。医生可以对不同模块的模型数据独立编辑，便于构建术中不断变化的心脏三维模型，无需针对每一步骤后的心脏三维模型整体重新建模，可以大大提高训练设计的效率，利于实现患者术前的手术模拟，也便于医生构建多种类型的心脏三维模型，针对不同病种进行训练设计。
获取患者的多个心脏三维模型后，医生可以利用计算机，根据时间、心房模块、心室模块、血管模块的变化设置多个心脏三维模型的展示顺序，通过切换展示多个心脏三维模型，可以实现心脏动态模型的展示。此外，医生可以根据单一心脏三维模型，通过修改各模块的参数，可以构建出多个心脏三维模型，从而模拟心脏动态模型。
需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种虚拟现实模拟心脏手术指导系统，其特征在于，包括∶虚拟现实显示设备、控制输入设备、存储器和中央处理器；
所述控制输入设备将控制信息传输至所述中央处理器；所述中央处理器将虚拟现实数据传输至所述虚拟现实显示设备；所述存储器存储手术信息；
所述手术信息包括一个以上的心脏动态模型；
所述存储器储存有人体模型；
所述心脏动态模型包括心室模块、心房模块和血管模块；所述手术信息还包括手术指导视频；所述手术信息还包括手术工具模型；所述心脏动态模型适用于患者的手术方案；
所述心脏动态模型的构建方法包括S1，获取DICOM心脏数据；
S2：划分左心房数据、右心房数据、左心室数据、右心室数据和血管数据；
S3：根据所述左心房数据、所述右心房数据、所述左心室数据、所述右心室数据和所述血管数据，构建所述心室模块、所述心房模块和所述血管模块；
S4：重复S1-S3，获取多个心脏三维模型；
S5：根据所述多个心脏三维模型获取所述心脏动态模型；
所述系统可在所述人体模型上构建放大的心脏动态模型；
所述系统可选择隐藏心室模块、心房模块和血管模块中的一个或多个；
所述系统可针对心室模块、心房模块和血管模块中的任意一个单独编辑，从而构建术中不断变化的心脏三维模型。
2.根据权利要求1所述的一种虚拟现实模拟心脏手术指导系统，其特征在于，所述虚拟现实显示设备包括VR眼镜，所述控制输入设备包括VR手柄。
3.根据权利要求2所述的一种虚拟现实模拟心脏手术指导系统，其特征在于，所述虚拟现实显示设备还包括AR眼镜或显示屏。
4.根据权利要求3所述的一种虚拟现实模拟心脏手术指导系统，其特征在于，还包括连接至所述中央处理器的无线传输装置和/或有线传输装置。
5.根据权利要求4所述的一种虚拟现实模拟心脏手术指导系统，其特征在于，所述手术信息还包括手术室环境信息。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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