CN105448155A - 脊柱内镜虚拟训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脊柱内镜虚拟训练系统，包括仿真模型、手术器械、传感系统和服务器，服务器又包含三维几何模型重建单元、图像渲染单元、数据接收处理单元、显示单元。软硬件相结合，准确模拟手术器械、仿真组织、仿真器官的三维空间关系，检测相互的力信息，并进行分析反馈，根据临床真实手术场景，模拟出逼真的镜下操作环境，让操作者身临其境。

Description

脊柱内镜虚拟训练系统

技术领域

本发明涉及医学领域，尤其涉及一种脊柱内镜虚拟训练系统。

背景技术

脊柱内镜手术是一种较新的手术方式，其发生、发展不过近二十年时间，但却成为了目前脊柱外科微创手术中最热门的手术方式，与腹腔镜、关节镜等其他内镜不同的是，脊柱内镜手术是一个人的舞台，只需要一人操作，手术区域狭小并且手术部位相对危险，真实设备很少让初学者进行练习操作，市面上又无相关供培训及教学使用的产品，目前供初学者练习的模式也仅局限在手术观摩、动物椎骨和尸体训练等方法，临床医生大多甚至是直接通过在真实患者身上练习来提高手术技能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种脊柱内镜虚拟训练系统。

本发明所采用的技术方案是：脊柱内镜虚拟训练系统，其特征是，该系统包括：

仿真模型，内部具有仿真组织及仿真器官，驱动显示单元中虚拟仿真模型内部结构与其内部结构一致；

手术器械，用于在上述仿真模型内部进行操作，驱动显示单元中虚拟手术器械与其运动一致；

传感系统，与上述手术器械相连，进行空间位置检测，用于定位、捕捉并采集手术器械在上述仿真模型内的运动信息；

服务器，进一步包括：

三维几何模型重建单元，与上述仿真模型、手术器械、传感系统相连，用于将上述仿真模型内的仿真组织、仿真器官和手术器械进行三维几何模型重建，并建立三维空间关系；

图像渲染单元，利用三维图形渲染引擎，与上述三维几何模型重建单元相连，将三维几何模型重建单元获取的三维空间关系进行三维可视化，绘制在显示单元上；

数据接收处理单元，接收上述传感系统采集的手术器械的运动信息，反馈到上述三维几何模型重建单元，实现模拟力反馈及虚拟触觉；

显示单元。

所述的仿真模型至少包含一个穿刺部位，每个穿刺部位设置一个标准穿刺靶点，用于判断用户操作时穿刺点的位置是否正确。

所述的仿真模型至少包含一个孔镜通道。

所述的手术器械包括穿刺针、内窥镜、环钻、磨钻、punch钳、髓核钳、双极电凝、模拟控制X光照射的脚踏板，并且所述手术器械上设置传感装置，用于确定所述手术器械在模型内的三维空间关系及与所述仿真组织、仿真器官进行碰撞的力。

本发明的有益效果是，软硬件相结合，准确模拟手术器械、仿真组织、仿真器官的三维空间关系，检测相互的力信息，并进行分析反馈，根据临床真实手术场景，模拟出逼真的镜下操作环境，让操作者身临其境。

附图说明

图1是本发明脊柱内镜虚拟训练系统的示意图。

具体实施方式

如图1所示，脊柱内镜虚拟训练系统包括仿真模型、手术器械、传感系统和服务器，服务器又包含三维几何模型重建单元、图像渲染单元、数据接收处理单元、显示单元。

仿真模型为L1-S1的半身躯干模型，模型完全1:1按照标准真人设计，模型具有良好的稳定度，可以自由摆放成不一样的角度，模型边缘距椎体正中线距离范围要求：L3-4旁开10cm以上，L4-5旁开12cm以上，L5-S1旁开14cm以上，仿真模型设置一穿刺部位，该部位的外皮可更换，并且在该穿刺部位设置一个标准穿刺靶点，仿真模型的L3-4水平两侧旁开8-10cm处、L4-5水平两侧旁开10-12cm处、L5-S1水平两侧旁开12-14cm处分别设置孔镜通道；

根据临床真实手术情景，服务器通过三维几何模型重建单元构建一个虚拟仿真模型，具有完整的人体解剖结构，通过图像渲染单元，将三维立体示意图展示在显示单元进行呈现；

手术器械上设置传感系统，能够随时检测器械在仿真模型中的走行以及对仿真模型内部组织结构进行的手术操作，包括抓取、切割等，传感系统能够检测手术器械与不同组织碰撞时产生的不同的力，同时传递给数据接受处理单元进行分析，并将结果反馈到传感系统做出相应的力学反馈，实现逼真的手术操作环境的模拟。

以下对软件设计进行举例说明：

1：穿刺定位

穿刺针上设置传感器，当操作者在模型上进行穿刺操作时，穿刺皮肤时能够感受突破感，能够感受到不同组织的阻力以及骨抵抗，穿刺点的位置与标准穿刺靶点的位置对比，能够判断穿刺位置是否正确，并进行记录，通过预设的评价系统对该操作进行评价。

2：镜下解剖学习

内窥镜镜头走行时可清楚观察神经根、纤维环、髓核、硬膜囊、后纵韧带、黄韧带等三维模型；

设置“基本解剖”、“完整解剖”两种环境；“基本解剖”剔除碎屑、结缔组织等复杂情况，只保留基本骨骼、韧带；“完整解剖”是仿真环境重现，可清晰呈现镜下漂浮的颗粒和绒毛样组织、流出的血液、烧灼产生的气泡等环境形态，难度加大；

系统设定任务，依次列出相关解剖名词，需要训练者依次找出，当镜头进入该解剖位置，停顿3s以上，即为找到目标，在解剖名词列表上自动对相应的名词打钩；

系统在同一屏幕上提供可自由开关的外部视图训练向导系统，为使用者提供标准手术步骤并以颜色变化的形式显示所需探查或治疗的目标区域位置；

提供3D视图模型，并能跟随操作器械的走行实时定位，供操作者观察操作部位与周围组织的三维空间关系，三维立体模型为真实病例的CT，MRI数据导入重建形成，该功能可随时开启和关闭；

内窥镜镜头在人体外时视频画面对应的为虚拟手术室环境场景，镜头进入人体后须根据走行模型的不同位置模拟不同的镜下画面，这些镜下画面应与真实画面相似；

训练完毕会给出评价表，评价内容包括：操作时间，是否寻找到任务结构，是否过度碰触了某些组织，遗漏的结构统计等；

可进行历史操作记录回顾，可记录内容包括：操作日期，操作账号，操作结果评价表，视频记录。

3：镜下手术治疗

不同的手术器械在使用时产生不一样的模拟场景以及配合相应的手术器械产生不同的声音；环钻使用时，能够产生于临床器械工作时一致的震感；

术中咬碎的组织可跟随手术器械的夹取、拉出体外的动作而消失；

在模拟操作时出现误伤血管、硬膜囊及神经等并发症的表现，可模拟出血以及模拟病人发出疼痛的喊叫声等；

虚拟镜头下可观察到不同组织因手术操作的损伤而发生形态上变化的前后对比；

镜下可观察到重要解剖结构及动作形态，例如：“流动的髓核”、“破裂的纤维环”、“搏动的硬膜囊”等；

可清晰呈现镜下漂浮的颗粒和绒毛样组织、流出的血液、烧灼产生的气泡等环境形态；

可对灌洗液体流量进行控制。当灌注不足时,镜头视野能见度会逐渐降低。也可手动加速能见度的变化速度；

器械走行时，可真实感受到不同组织和器械碰撞时产生的不同的力，并且在咬除髓核或是纤维环修复等手术操作时可真实的感受到髓核及纤维环的韧度；

训练完毕会给出评价表，评价内容包括：操作时间，是否完成了目标物的清理，是否造成了重要结构的副损伤（损伤结构名字，损伤次数，损伤前后图像对比），练习者和病人交流的次数等。

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 (4)

1.脊柱内镜虚拟训练系统，其特征是，该系统包括

仿真模型，内部具有仿真组织及仿真器官，驱动显示单元中虚拟仿真模型内部结构与其内部结构一致；

手术器械，用于在上述仿真模型内部进行操作，驱动显示单元中虚拟手术器械与其运动一致；

传感系统，与上述手术器械相连，进行空间位置检测，用于定位、捕捉并采集手术器械在上述仿真模型内的运动信息；

服务器，进一步包括：

三维几何模型重建单元，与上述仿真模型、手术器械、传感系统相连，用于将上述仿真模型内的仿真组织、仿真器官和手术器械进行三维几何模型重建，并建立三维空间关系；

图像渲染单元，利用三维图形渲染引擎，与上述三维几何模型重建单元相连，将三维几何模型重建单元获取的三维空间关系进行三维可视化，绘制在显示单元上；

数据接收处理单元，接收上述传感系统采集的手术器械的运动信息，反馈到上述三维几何模型重建单元，实现模拟力反馈及虚拟触觉；

显示单元。

2.根据权利要求1所述的脊柱内镜虚拟训练系统，其特征是所述的仿真模型至少包含一个穿刺部位，每个穿刺部位设置一个标准穿刺靶点，用于判断用户操作时穿刺点的位置是否正确。

3.根据权利要求1所述的脊柱内镜虚拟训练系统，其特征是所述的仿真模型至少包含一个孔镜通道。

4.根据权利要求1所述的脊柱内镜虚拟训练系统，其特征是所述的手术器械包括穿刺针、内窥镜、环钻、磨钻、punch钳、髓核钳、双极电凝、模拟控制X光照射的脚踏板，并且所述手术器械上设置传感装置，用于确定所述手术器械在模型内的三维空间关系及与所述仿真组织、仿真器官进行碰撞的力。