CN104112384A - 一种神经外科虚拟手术训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种神经外科虚拟手术训练系统，它主要由数据管理，预处理，分割，三维重建，手术模拟五个模块组成，相对于传统的系统加入了三维重建部分，引入MC算法，使整个系统更具真实性，本发明可以帮助医护人员更易掌握神经外科手术的相关技能。

Description

一种神经外科虚拟手术训练系统

技术领域

本发明涉及一种医学教学领域，尤其涉及一种神经外科虚拟手术训练系统。

背景技术

    虚拟手术系统是虚拟现实技术在现代医学中的应用。它是一个融合计算机技术、计算机图形学、传感器技术、生物力学、现代医学、图像处理、计算机视觉、机器人学、科学计算可视化等学科的多学科交叉研究领域。虚拟手术系统是一个专门用来模拟在手术过程中可能遇到的各种现象的虚拟现实应用系统，所涉及的内容包括医学数据的交互与可视化，以及对于组织器官变形的模拟和各种感官反馈的模拟。在传统的手术中，医生是在自己的大脑中进行术前的手术模拟，以确定手术方案，这是高效、准确、顺利进行手术所必须的准备工作，然后根据医生大脑中形三维印象进行手术。但这种手术方案质量的高低，往往依赖于医生个体的外科临床经验与技能整个手术小组的每一位成员却很难共享某一制订手术方案人员在其大脑中形成的整个手术案的构思信息。用计算机代替医生进行手术方案的三维构思比较客观、定量，且其信息可供手术小组的每一位成员共享。如果引入 CT 等三维图像，就可对具体图像与同行进行交流，虚拟的空间(VirtualSpace)进行三维手术模拟，并制订出较为完善的手术方案。如果所设想空间能与现实空间（患者的手术野）及位置正确地对应，在手术中就可随时以此作为参考。总的来说，虚拟手术模拟系统就是通过精确的人体组织器官造型（几何建模和物理、生理建模），来逼真地模拟组织器官在手术器械的外力交互作用下变形乃至被切割的过程，并通过视觉听觉、触觉反馈以及其他通道的感观反馈形式来提供逼真的手术感觉。在神经外科领域，由于神经外科手术错综复杂，操作空间狭小，经常在显微镜下狭小的空间范围内处理病灶，但神经和血管组织绝对不能轻易损伤，否则会带来严重的并发症甚至死亡。而且有相当一部分疾病的病灶位于脑内深部，如脑干肿瘤、丘脑肿瘤，脑实质深部血管瘤等，其病灶前后有很多重要解剖结构，周围又为许多血管神经所包绕，因此在手术中要精确到达病变位置难度很大，完整切除则更为不易。以往这些手术的顺利完成，都是凭借少数高水平手术医生多年积累的丰富经验和娴熟的手术技巧，因此很难推广，难以满足大量亟待手术的病人的需要。

发明内容

为了解决医护人员不能达到真正熟练的实施神经外科手术的问题，本发明提供一种神经外科虚拟手术系统，加强医护人员技能，引入三维重建设计，更加具有真实性。

   本发明是这样构成的：一种神经外科虚拟手术训练系统，该系统主要由数据管理，预处理，分割，三维重建和手术模拟五大模块组成。其中数据管理模块包括图像读取，图像输出，先读入 CT 数据，并将原有的片层数据组合成体数据进行输出；预处理模块可对图像进行二维处理，包括差值，滤波，伪彩；分割模块包括阈值分割，FCM分割，在图像上将不同器官和组织用不同的标签标注出来；三维重建模块包括MC重建，绘制三维模型，并在三维显示窗口中显示；手术模拟模块包括测量，穿刺，切割。

本发明与现有技术相比有以下优点：引入了三维重建技术，MC算法，提供更加真实的训练环境，可以帮助医学医护人员快速掌握神经外科手术流程及方法。

附图说明

图1为神经外科虚拟手术训练系统结构示意图。

图2为神经外科虚拟手术训练系统流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步详述。

如图1所示，本发明所述的神经外科虚拟手术训练系统主要由数据管理，预处理，分割，三维重建和手术模拟五大部分组成。其中数据管理模块包括图像读取，图像输出：预处理模块包括差值，滤波，伪彩；分割模块包括阈值分割，FCM分割；三维重建模块包括MC重建；手术模拟模块包括测量，穿刺，切割。它可以帮助医学医护人员快速掌握神经外科手术流程及方法，同时引入了三维重建技术，提供更加真实的训练环境。

依据神经外科手术流程，设计本系统的整个工作流程，如图2所示。首先启动系统，在系统启动后，先读入 CT 数据，并将原有的片层数据组合成体数据，然后根据操作者选取的插值算法对体数据进行采样插值。对获取的切片数据可以直接显示，也可以根据需要对二维图像做一些处理，比如滤波、伪彩色等处理，然后再显示处理后的数据。还可以通过调整窗宽窗位，缩放等操作来改变显示的效果，也可以使用测量工具对二维图像进行距离，角度，坐标等测量。接下来的工作就是分割，分割就是在图像上将不同器官和组织用不同的标签标注出来，系统提供多种分割方法：阈值分割，改进的模糊 C 均值聚类分割等。分割完成后，系统按照分割的结果绘制出三维模型，借助MC算法并在三维显示窗口中显示。再下来就是选取靶点以及入刺点，进行手术规划和模拟，同时可以对重建出的模型中的各组织包括病灶进行体积测量，这样整个系统流程结束。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改，等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种神经外科虚拟手术训练系统，其特征是该系统主要由数据管理，预处理，分割，三维重建和手术模拟五大模块组成；其中数据管理模块包括图像读取，图像输出；预处理模块包括差值，滤波，伪彩；分割模块包括阈值分割，FCM分割；三维重建模块包括MC重建；手术模拟模块包括测量，穿刺，切割。

2.根据权利要求1所述的神经外科虚拟手术训练系统，其特征在于所述的图像读取读入 CT 数据，所述的图像输出将原有的片层数据组合成体数据进行输出。

3.根据权利要求1所述的神经外科虚拟手术训练系统，其特征在于所述的预处理对读取的图像进行二维处理。

4.根据权利要求1所述的神经外科虚拟手术训练系统，其特征在于所述的阈值分割、FCM分割在图像上将不同器官和组织用不同的标签标注出来。

5.根据权利要求1所述的神经外科虚拟手术训练系统，其特征在于所述的三维重建绘制三维模型，并在三维显示窗口中显示。

6.根据权利要求1所述的神经外科虚拟手术训练系统，其特征在于所述的手术模拟可进行虚拟训练，包括测量，穿刺，切割。