CN107221032A - 虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法，其包括如下步骤：S1、构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术场景；S2、构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术对应的虚拟手术交互系统；S3、获取用户的虚拟手术，根据虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术场景以及虚拟手术交互系统完成虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学。

Description

虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法和系统

技术领域

本发明涉及虚拟现实培训教学技术领域，特别涉及一种虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法和系统。

背景技术

腹腔镜治疗肝囊肿具有安全、创伤小、恢复快的优势。但是，相对于传统手术，腹腔镜手术对医生在手术技能方面的能力要求更高，一般而言，医生娴熟的操作手法来自大量的临床经验，而虚拟腹腔镜肝囊肿手术系统可以通过构建患者腹腔内三维虚拟场景、模拟腹腔镜手术基本过程等方法，帮助训练医生的基本手术技能。与传统的培训方式不同，虚拟腹腔镜手术系统能够反复多次练习而不用担心标本、场地和手术安全等问题，不仅训练代价小，同时缩短了培训周期。

虚拟手术系统一般依靠3D建模软件重建器官医学数据，生成3D可视化模型；然后将3D模型导入3D引擎，生成手术场景；再按照手术流程对器官进行操作。

不同于刚体模型交互，人体器官与器械接触时，往往体现出柔体性质。在肝囊肿手术中，肝囊肿内部充盈囊肿液，而囊肿组织本身为柔体，由于肝囊肿复杂的物理性质，模拟虚拟肝囊肿常使用动画系统表现软组织形变或液体流动，以损失操作自由度为代价实现视觉模拟。也增加了拓展系统的工作量。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法和系统。

一种虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法，其包括如下步骤：

S1、构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术场景；

S2、构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术对应的虚拟手术交互系统；

S3、获取用户的虚拟手术，根据虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术场景以及虚拟手术交互系统完成虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法中，所述步骤S1包括：

S11、获取真实人体器官数据，并用3维建模软件重建导入Unity3D；

S12、将导入Unity3D的正常器官模型按照解剖学位置摆放、储存，生成静态正常腹腔场景；

S13、对肝脏模型进行病变重建，重建的肝脏模型由囊肿组织和术后肝脏组合而成，用病变肝脏模型替换步骤S12中的正常肝脏模型，生成静态囊肿手术模型。

S14、应用等体积算法，重建肝囊肿组织，生成动态囊肿手术场景；

S15、应用布料模拟插件设置肝囊肿组织布料参数和蒙皮骨骼组件参数，为肝囊肿软组织生成软组织控制接口。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法中，

所述步骤S2包括：

S21、配置并加载用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动；

S22、加载场景控制脚本，监听场景状态变化，并实现交互控制改变场景参数；

S23、根据步骤21中用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动以及步骤S22中控制脚本，生成exe文件，生成虚拟肝囊肿开窗切除手术demo实现构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术对应的虚拟手术交互系统。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法中，

所述步骤S3包括：

S31、在exe文件打开并进入手术场景后，启动虚拟手术训练，控制镜头移动到肝囊肿手术位置；

S32、根据S21中用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动以及步骤S2中控制脚本，实现对吸液针刺破囊肿组织，吸取囊肿液，囊肿组织软化坍缩、夹钳提拉肝囊肿软组织，电凝钩对软组织电凝切割以及提走肝囊肿软组织，从而完成虚拟手术操作。

本发明还提供一种虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学系统，其包括如下单元：

手术场景构建单元，用于构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术场景；

交互系统构建单元，用于构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术对应的虚拟手术交互系统；

教学实现单元，用于获取用户的虚拟手术，根据虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术场景以及虚拟手术交互系统完成虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学系统中，所述手术场景构建单元包括：

获取真实人体器官数据，并用3维建模软件重建导入Unity3D；

将导入Unity3D的正常器官模型按照解剖学位置摆放、储存，生成静态正常腹腔场景；

对肝脏模型进行病变重建，重建的肝脏模型由囊肿组织和术后肝脏组合而成，用病变肝脏模型替换静态正常腹腔场景中的正常肝脏模型，生成静态囊肿手术模型。

应用等体积算法，重建肝囊肿组织，生成动态囊肿手术场景；

应用布料模拟插件设置肝囊肿组织布料参数和蒙皮骨骼组件参数，为肝囊肿软组织生成软组织控制接口。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学系统中，

所述交互系统构建单元包括：

配置并加载用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动；

加载场景控制脚本，监听场景状态变化，并实现交互控制改变场景参数；

根据用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动以及控制脚本，生成exe文件，生成虚拟肝囊肿开窗切除手术demo实现构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术对应的虚拟手术交互系统。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学系统中，

所述教学实现单元包括：

在exe文件打开并进入手术场景后，启动虚拟手术训练，控制镜头移动到肝囊肿手术位置；

根据用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动以及控制脚本，实现对吸液针刺破囊肿组织，吸取囊肿液，囊肿组织软化坍缩、夹钳提拉肝囊肿软组织，电凝钩对软组织电凝切割以及提走肝囊肿软组织，从而完成虚拟手术操作。

实施本发明提供的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法和系统与现有技术相比具有以下有益效果：使用徐浪等体积算法重构肝囊肿组织，使得病变肝脏模型从静态刚体模型变为可动态交互的液体-刚体模型。在视觉上更好的模拟了肝囊肿组织的特征，提供了准确的拟真性，增强使用者代入感，有利于加强培训印象。

使用布料模拟插件和蒙皮骨骼组件模拟吸液后肝囊肿软组织特性，通过插件设置蒙皮骨骼参数可以完成诸如囊肿软组织提拉、切割等手术操作。布料模拟插件可以快速布置在其他软组织模型上，而不需要重新制作与模型匹配的动画等资源，加强了系统模型拓展能力和速度。

附图说明

图1是本发明实施例的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例提供一种虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法，其包括如下步骤：

S1、构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术场景；

S2、构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术对应的虚拟手术交互系统；

S3、获取用户的虚拟手术，根据虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术场景以及虚拟手术交互系统完成虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法中，所述步骤S1包括：

S11、获取真实人体器官数据，并用3维建模软件重建导入Unity3D；

S12、将导入Unity3D的正常器官模型按照解剖学位置摆放、储存，生成静态正常腹腔场景；

S13、对肝脏模型进行病变重建，重建的肝脏模型由囊肿组织和术后肝脏组合而成，用病变肝脏模型替换步骤S12中的正常肝脏模型，生成静态囊肿手术模型。

S14、应用等体积算法，重建肝囊肿组织，生成动态囊肿手术场景；

S15、应用布料模拟插件设置肝囊肿组织布料参数和蒙皮骨骼组件参数，为肝囊肿软组织生成软组织控制接口。

基于Unity3D引擎搭建，加载依照真实器官尺寸重建的3D器官模型，并为各个器官制作对应的贴图建立与真实腹腔镜肝囊肿手术一致的虚拟手术场景。

以静态的标准腹腔器官模型场景为基础，用附加了囊肿组织的肝脏替换标准肝脏，生成静态肝囊肿患者腹腔场景；进一步应用徐浪等体积算法于肝囊肿组织上，将肝囊肿面片模型转换为体模型，按设定密度在体积空间内生成点，由生成点模拟内部液体状态，由点数量恒定维持模型形变后体积不变，模拟肝囊肿内充满液体的状态，构建可动态交互的肝囊肿场景；最后利用布料模拟插件设置肝囊肿组织布料属性，获取模型所有顶点并绑定骨骼，使用绑定的骨骼作为布料化模型后的布料绑定点，通过修改骨骼的位置、绑定状态实现对布料模型的操作，用于模拟手术步骤的提拉、切割等效果，完成整个手术场景的生成

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法中，

所述步骤S2包括：

S21、配置并加载用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动；

S22、加载场景控制脚本，监听场景状态变化，并实现交互控制改变场景参数；

S23、根据步骤21中用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动以及步骤S22中控制脚本，生成exe文件，生成虚拟肝囊肿开窗切除手术demo实现构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术对应的虚拟手术交互系统。

运行后通过接口获取操作端数据，实时更新虚拟手术器械的Tranform组件参数，控制器械在场景中的状态，包括伸缩、自旋、俯仰、摆动和手术器械的夹合或释放功能，实现对手术器械的操作。

使用引擎物理组件，结合模型点云算法，避免了器械和器官的模型穿越现象。

开发布料模拟插件和徐浪等体积算法模拟肝脏囊肿区域，可以模拟手术中吸液针刺破肝囊肿时的动态效果，并控制吸取囊肿液的囊肿萎缩过程。

拓展了引擎的蒙皮骨骼功能，使模型蒙皮可控的与任意骨骼结点分离，可模拟手术中切除肝囊肿的过程。

目前现有技术中肝囊肿组织需要通过布料模拟插件进行手动预编译，生成肝囊肿位置不同的手术场景无法自动化进行。

本发明实施例由器械控制脚本获取操作端由操作者产生的操作变量；控制脚本随后将获取的变化量计算得到对应的手术器械位置和状态信息变化量，并实时更新，实现对虚拟腹腔镜手术场景中的手术器械的操作

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法中，

所述步骤S3包括：

S31、在exe文件打开并进入手术场景后，启动虚拟手术训练，控制镜头移动到肝囊肿手术位置；

S32、根据S21中用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动以及步骤S2中控制脚本，实现对吸液针刺破囊肿组织，吸取囊肿液，囊肿组织软化坍缩、夹钳提拉肝囊肿软组织，电凝钩对软组织电凝切割以及提走肝囊肿软组织，从而完成虚拟手术操作。

首先，控制相机获取腹腔手术视野，确定肝囊肿位置；控制吸液针刺破囊肿组织，并吸取囊肿液，使囊肿组织疲软、坍缩；控制夹钳提起囊肿组织；控制电凝钩，切割囊肿组织；最后，将切除的囊肿组织移出体外。

囊肿组织与器械接触时的效果，由徐浪等体积算法模拟实现；吸取囊肿液使囊肿坍缩的效果，通过改变徐浪等体积算法参数和蒙皮骨骼参数实现模拟；囊肿组织提拉、切割效果，通过改变蒙皮骨骼参数实现。参数由器械位置和状态决定，实现可交互虚拟肝囊肿开窗手术模拟。

本发明还提供一种虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学系统，其包括如下单元：

手术场景构建单元，用于构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术场景；

交互系统构建单元，用于构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术对应的虚拟手术交互系统；

教学实现单元，用于获取用户的虚拟手术，根据虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术场景以及虚拟手术交互系统完成虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学系统中，所述手术场景构建单元包括：

获取真实人体器官数据，并用3维建模软件重建导入Unity3D；

将导入Unity3D的正常器官模型按照解剖学位置摆放、储存，生成静态正常腹腔场景；

对肝脏模型进行病变重建，重建的肝脏模型由囊肿组织和术后肝脏组合而成，用病变肝脏模型替换静态正常腹腔场景中的正常肝脏模型，生成静态囊肿手术模型。

应用等体积算法，重建肝囊肿组织，生成动态囊肿手术场景；

应用布料模拟插件设置肝囊肿组织布料参数和蒙皮骨骼组件参数，为肝囊肿软组织生成软组织控制接口。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学系统中，

所述交互系统构建单元包括：

配置并加载用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动；

加载场景控制脚本，监听场景状态变化，并实现交互控制改变场景参数；

根据用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动以及控制脚本，生成exe文件，生成虚拟肝囊肿开窗切除手术demo实现构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术对应的虚拟手术交互系统。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学系统中，

所述教学实现单元包括：

在exe文件打开并进入手术场景后，启动虚拟手术训练，控制镜头移动到肝囊肿手术位置；

根据用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动以及控制脚本，实现对吸液针刺破囊肿组织，吸取囊肿液，囊肿组织软化坍缩、夹钳提拉肝囊肿软组织，电凝钩对软组织电凝切割以及提走肝囊肿软组织，从而完成虚拟手术操作。

实施本发明提供的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法和系统与现有技术相比具有以下有益效果：使用徐浪等体积算法重构肝囊肿组织，使得病变肝脏模型从静态刚体模型变为可动态交互的液体-刚体模型。在视觉上更好的模拟了肝囊肿组织的特征，提供了准确的拟真性，增强使用者代入感，有利于加强培训印象。

使用布料模拟插件和蒙皮骨骼组件模拟吸液后肝囊肿软组织特性，通过插件设置蒙皮骨骼参数可以完成诸如囊肿软组织提拉、切割等手术操作。布料模拟插件可以快速布置在其他软组织模型上，而不需要重新制作与模型匹配的动画等资源，加强了系统模型拓展能力和速度。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1、构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术场景；

S2、构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术对应的虚拟手术交互系统；

S3、获取用户的虚拟手术，根据虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术场景以及虚拟手术交互系统完成虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学。

2.如权利要求1所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

S11、获取真实人体器官数据，并用3维建模软件重建导入Unity3D；

S12、将导入Unity3D的正常器官模型按照解剖学位置摆放、储存，生成静态正常腹腔场景；

S13、对肝脏模型进行病变重建，重建的肝脏模型由囊肿组织和术后肝脏组合而成，用病变肝脏模型替换步骤S12中的正常肝脏模型，生成静态囊肿手术模型。

S14、应用等体积算法，重建肝囊肿组织，生成动态囊肿手术场景；

S15、应用布料模拟插件设置肝囊肿组织布料参数和蒙皮骨骼组件参数，为肝囊肿软组织生成软组织控制接口。

3.如权利要求2所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法，其特征在于，

所述步骤S2包括：

S21、配置并加载用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动；

S22、加载场景控制脚本，监听场景状态变化，并实现交互控制改变场景参数；

S23、根据步骤21中用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动以及步骤S22中控制脚本，生成exe文件，生成虚拟肝囊肿开窗切除手术demo实现构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术对应的虚拟手术交互系统。

4.如权利要求3虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法，其特征在于，

所述步骤S3包括：

S31、在exe文件打开并进入手术场景后，启动虚拟手术训练，控制镜头移动到肝囊肿手术位置；

S32、根据S21中用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动以及步骤S2中控制脚本，实现对吸液针刺破囊肿组织，吸取囊肿液，囊肿组织软化坍缩、夹钳提拉肝囊肿软组织，电凝钩对软组织电凝切割以及提走肝囊肿软组织，从而完成虚拟手术操作。

5.一种虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学系统，其特征在于，其包括如下单元：

手术场景构建单元，用于构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术场景；

交互系统构建单元，用于构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术对应的虚拟手术交互系统；

教学实现单元，用于获取用户的虚拟手术，根据虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术场景以及虚拟手术交互系统完成虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学。

6.如权利要求5所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学系统，其特征在于，所述手术场景构建单元包括：

获取真实人体器官数据，并用3维建模软件重建导入Unity3D；

将导入Unity3D的正常器官模型按照解剖学位置摆放、储存，生成静态正常腹腔场景；

对肝脏模型进行病变重建，重建的肝脏模型由囊肿组织和术后肝脏组合而成，用病变肝脏模型替换静态正常腹腔场景中的正常肝脏模型，生成静态囊肿手术模型。

应用等体积算法，重建肝囊肿组织，生成动态囊肿手术场景；

应用布料模拟插件设置肝囊肿组织布料参数和蒙皮骨骼组件参数，为肝囊肿软组织生成软组织控制接口。

7.如权利要求6所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学系统，其特征在于，

所述交互系统构建单元包括：

配置并加载用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动；

加载场景控制脚本，监听场景状态变化，并实现交互控制改变场景参数；

根据用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动以及控制脚本，生成exe文件，生成虚拟肝囊肿开窗切除手术demo实现构建虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术对应的虚拟手术交互系统。

8.如权利要求7虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法，其特征在于，

所述教学实现单元包括：

在exe文件打开并进入手术场景后，启动虚拟手术训练，控制镜头移动到肝囊肿手术位置；

根据用于人机交互的器械控制脚本，用于获取操作端变化量、计算场景中器械移动量和控制器械移动以及控制脚本，实现对吸液针刺破囊肿组织，吸取囊肿液，囊肿组织软化坍缩、夹钳提拉肝囊肿软组织，电凝钩对软组织电凝切割以及提走肝囊肿软组织，从而完成虚拟手术操作。