CN107361843B - 具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法，包括以下步骤：S1：对颅脑组织的CT图像和MRI图像进行配准、融合，获取颅脑组织的3D虚拟模型；S2：测量得到颅脑组织的弹性模量，3D打印获取与颅脑组织的弹性模量保持一致的实体模型；S3：通过实体模型、手术器械与3D虚拟模型的配准，在力反馈设备上模拟具有真实触感的神经外科手术。与现有技术相比，本发明在模拟手术时能感受到手术器械与脑组织接触时的真实触感，同时能观察到手术器械在颅脑中所处的位置，使模拟手术更加真实。

Description

具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法

技术领域

本发明涉及一种手术模拟方法，尤其是涉及一种具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法。

背景技术

传统的神经外科手术，医生一般通过研究患者的二维图像(CT、MRI等)制定术前规划，缺乏对病灶整体解剖结构的准确理解，难以制定精确的术前规划；且每个个体存在的解剖差异及受术者经验的影响，导致实际手术与术前规划存在一定的差异。因此，传统的神经外科手术成功与否，很大程度上依赖于术者的临床经验、解剖知识以及三维空间想象能力。如果术前能够制作出与病变相同的实体解剖模型，并在此模型上完成神经外科手术的预演操作，实现模拟手术的沉浸感和近真实感，这将突破了传统模拟手术的界限。同时，对于提高术者技能、减少手术损伤、优化手术路径、缩短康复时间等方面也具有十分重要的意义。

目前，神经外科手术训练的方法主要有：

1.临床外科手术训练，在手术过程中通过医生导师的指导学习提升手术技能，这种方法有悖于伦理道德问题，可能会造成患者的伤害且容易引发医患纠纷。

2.虚拟现实技术，借助计算机技术模拟手术环境，医生通过适当装置对三维虚拟界面进行交互模拟，但实时性、体验感差，而且系统设计复杂，价格昂贵，不易推广。

3.简易模拟训练器，其价格便宜，可以简单地模拟实际手术中的一些操作技巧，但真实感差，无法满足临床医生系统的训练要求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法，不仅具有视觉感受，而且还具有真实的触觉感受，实现模拟具有真实触感的沉浸式神经外科手术的目的。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法，包括以下步骤：

S1：对颅脑组织的CT图像和MRI图像进行配准、融合，获取颅脑组织的3D虚拟模型；

S2：测量得到颅脑组织的弹性模量，3D打印获取与颅脑组织的弹性模量保持一致的实体模型；

S3：通过实体模型、手术器械与3D虚拟模型的配准，在力反馈设备上模拟具有真实触感的神经外科手术。

所述步骤S1中配准过程具体包括：

111：将CT图像中重建的头皮结构、颅骨结构、血管结构绑定，获得第一点集；

将MRI图像中重建的头皮结构、肿瘤结构、脑组织结构绑定，获得第二点集；

112：根据CT图像和MRI图像中分别重建的头皮结构的一致性和刚性特征，以头皮结构为配准基准，利用三点对齐法进行第一点集和第二点集的粗配准；

113：基于粗配准，利用迭代最近点算法进行第一点集和第二点集的精配准，经精配准后得到在同一空间坐标系下的第一点集和第二点集。

所述步骤S1中融合过程具体包括：

121：将配准后获得的对应CT图像的第一点集封装成第一模型，将配准后获得的对应MRI图像的第二点集封装成第二模型；

122：分离第一模型、第二模型中的颅骨模型、血管模型、肿瘤模型、脑组织模型和脑室模块；

123：根据不同的布尔运算将分离后的各模型进行拼接，获得包括颅骨、血管、肿瘤、脑组织和脑室的3D虚拟模型。

所述步骤S2中选用不同颜色、硬度且与颅脑组织的弹性模量保持一致的3D打印材料制作实体模型。

所述颅脑组织的弹性模量的获取方式为：选用颅脑组织内不同模块的替代物，采用挤压装置对替代物分别进行测定，得到对应的弹性模量；

所述挤压装置包括用于挤压的圆柱形挤压头、用于测量挤压力P的压力传感器和用于测量挤压形变量w的位移传感器；

所述弹性模量E满足以下公式：

其中，r为圆柱形挤压头的半径。

所述步骤S3中实体模型、手术器械与3D虚拟模型的配准过程具体包括：

311：通过标定手术器械得到器械尖端相对于三个预设的标志点的空间位置；

312：利用器械尖端获取实体模型上特征点的空间位置，并借助视觉系统，得到实体模型与颅脑组织的3D虚拟模型数据的对应位置关系；

313：根据实体模型与颅脑组织的3D虚拟模型数据的对应位置关系以及器械尖端的空间位置，得到手术器械与颅脑组织的3D虚拟模型的对应位置关系。

所述在力反馈设备上模拟具有真实触感的神经外科手术过程具体包括：

321：利用视觉系统采集手术器械的空间位置；

322：根据手术器械的空间位置，由力反馈设备向手术器械产生用于补偿实感的作用力；同时，基于手术器械与颅脑组织的3D虚拟模型的对应位置关系，在显示屏上显示手术器械在颅脑组织的3D虚拟模型的相应位置。

所述用于补偿实感的作用力F满足以下公式：

F＝E_ΔAx/L

其中，E_Δ为补偿弹性模量值，由测量的颅脑组织的弹性模量减去3D打印材料弹性模量得到；

x为手术器械运动时在空间任意两位置之间的位移，根据步骤321中连续采集手术器械的空间位置计算得到；

A为设定的弹簧截面积，L为设定的长度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、该具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法数据精度较高，根据实际临床需要，模拟人体颅脑结构设计，操作者可在颅脑实体模型上进行神经外科手术的全过程演练，提高手术技能；相比现有技术单一虚拟系统，在模拟手术时能感受到手术器械与脑组织接触时的真实触感，同时能观察到手术器械在颅脑中所处的位置，使模拟手术更加真实。

2、采用颅脑组织多模图像配准、融合的步骤，CT、MRI图像各具特点，MRI在显示肿瘤、脑室系统、神经及脑组织等方面有优势，而CT则能较好反映颅骨、血管等结构，将CT和MRI图像进行配准、融合能够集双方所长，获得外轮廓清晰、精度较高的颅脑3D虚拟模型，解决不对称的多源图像间信息集成的问题。

3、颅脑实体模型由3D打印一体化成型，选用不同颜色、硬度且与脑组织结构弹性模量相近的3D打印材料制作，快速成型，效率高，精度高，实用性强。

4、挤压装置结构简单，稳定性好，可测量传统拉伸实验无法测量的具有柔软质地的粘性组织弹性模量，为后续模拟真实触感提供保障。

5、实体模型、手术器械与3D虚拟模型配准方法借助视觉系统完成，空间多点自动配准，具有轻巧、灵活、非接触、数据采集快、定位精度高、可靠性好等优点。

6、设计用于补偿实感的作用力F的计算公式，力反馈设备的驱动装置向术者手部输出反馈力，使其在实体模型上进行模拟手术时能获得真实触感，操作舒适、结构轻巧，应用范围广，在医疗领域提高医生动手操作能力上具有重要意义。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明方法中在力反馈设备上模拟具有真实触感的神经外科手术的示意图；

图3为测量弹性模量的挤压装置示意图。

图中，1、3D虚拟模型，2、实体模型，3、视觉系统，4、力反馈设备，5、手术器械，6、图形工作站，7、压力传感器，8、被测组织，9、挤压头，10、位移传感器，11、连接杆，12、水平底座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法，包括以下步骤：

S1：对颅脑组织的CT图像和MRI图像进行配准、融合，获取颅脑组织的3D虚拟模型1(简称颅脑3D虚拟模型)。具体如下：

11：对颅脑组织的CT图像和MRI图像进行配准：

111：将CT图像中重建的头皮结构、颅骨结构、血管结构绑定，获得第一点集；

将MRI图像中重建的头皮结构、肿瘤结构、脑组织结构绑定，获得第二点集；

112：根据CT图像和MRI图像中分别重建的头皮结构的一致性和刚性特征，以头皮结构为配准基准，利用三点对齐法进行第一点集和第二点集的粗配准；

113：基于粗配准，利用迭代最近点(ICP)算法进行第一点集和第二点集的精配准，经精配准后得到在同一空间坐标系下的第一点集和第二点集。

说明：由于上述第一点集和第二点集中的各颅脑组织结构不在同一空间坐标系下，经精配准后得到的只是在同一空间坐标系下的颅脑各组织结构，包括上述第一点集和第二点集中所有的脑组织结构，即头皮、颅骨、血管、肿瘤、脑组织等。配准的作用只是将各脑组织结构统一到同一坐标系下，但其仍然是割裂的，仍然分为第一点集、第二点集两个部分，不是一个严格意义上的整体，故需进行下一步的数据融合。

12：配准后建立模型，并进行模型融合获得颅脑组织的3D虚拟模型1：

121：将配准后获得的对应CT图像的第一点集封装成第一模型，将配准后获得的对应MRI图像的第二点集封装成第二模型；

122：分离第一模型、第二模型中的颅骨模型、血管模型、肿瘤模型、脑组织模型和脑室模块；

123：根据不同的布尔运算将分割后的各模型进行拼接，获得包括颅骨、血管、肿瘤、脑组织和脑室的3D虚拟模型1。

S2：测量得到颅脑组织的弹性模量，3D打印获取与颅脑组织的弹性模量保持一致的实体模型2。其中选用不同颜色、硬度且与颅脑组织的弹性模量保持一致的3D打印材料制作实体模型2。

颅脑组织的弹性模量的获取方式为：选用颅脑组织内不同模块的替代物，其中，选用猪脑作为脑组织的替代物，同时选用瘦肉作为肿瘤的替代物，采用挤压装置对替代物分别进行测定，颅脑组织的弹性模量包括头皮、颅骨、血管、肿瘤和脑组织的弹性模量。

如图3所示，挤压装置包括用于挤压的圆柱形挤压头9、用于测量挤压力P的压力传感器7和用于测量挤压形变量w的位移传感器10。压力传感器7固定在水平底座12上，被测组织8放置在压力传感器7上，挤压头9和位移传感器10通过连接杆11固定在机台上，其中挤压头9位于连接杆11的最下端。

测量时先将被测组织8和压力传感器7固定于水平底座12上，调节连接杆11高度，使挤压头9刚好接触被测组织8的最上端。接着连接杆11带动挤压头9和位移传感器10下移，位移挤压头9使被测组织8发生挤压形变，同时位移传感器10记录挤压头9下移的位移，即被测组织8的形变量。待位移一定时，读取压力传感器7测得的挤压力，最后连接杆11上抬，完成弹性模量的测量。根据准线性粘弹理论，弹性模量E满足以下公式：

其中，r为圆柱形挤压头9的半径。

S3：通过实体模型2、手术器械5与3D虚拟模型1的配准，在力反馈设备4上模拟具有真实触感的神经外科手术。如图2所示，具体有：

31：实体模型2、手术器械5与3D虚拟模型1的配准过程：

311：通过标定手术器械5得到器械尖端相对于三个预设的标志点的空间位置，此处标志点为具有临床解剖意义的颅脑特征点，如眉心、眼角、鼻尖等位置；

312：利用器械尖端获取实体模型2上特征点的空间位置，并借助视觉系统3，得到实体模型2与颅脑3D虚拟模型1数据的对应位置关系；

313：根据实体模型2与颅脑3D虚拟模型1数据的对应位置关系以及器械尖端的空间位置，得到手术器械5与颅脑3D虚拟模型1的对应位置关系。

32：在力反馈设备4上模拟具有真实触感的神经外科手术：

321：利用视觉系统3采集手术器械5的空间位置；

322：根据手术器械5的空间位置，由力反馈设备4向手术器械5产生用于补偿实感的作用力；同时，基于手术器械5与颅脑3D虚拟模型1的对应位置关系，在显示屏上显示手术器械5在颅脑3D虚拟模型1的相应位置。

采用Mass-Spring(质点弹簧)力学模型获取用于补偿实感的作用力F，满足以下公式：

F＝E_ΔAx/L

其中，E_Δ为补偿弹性模量值，由采用挤压装置测量的颅脑组织的弹性模量减去3D打印材料弹性模量得到，3D打印材料弹性模量为已知值；

x为手术器械5运动时在空间任意两位置之间的位移，根据步骤321中连续采集手术器械5的空间位置计算得到；

A为设定的弹簧截面积，L为设定的长度，A与L的数值设定与手术器械5的作用类型有关。通过力反馈设备4的驱动装置向术者手部输出补偿实感作用力，使其在实体模型2上进行模拟手术时能获得真实触感。

本实施例中力反馈设备4为3D system公司的Touch X力反馈设备。图2中，在该力反馈设备4前端加装手术器械5，力反馈设备4和视觉系统3均连接到图形工作站6，并在配套软件Open Haptic中导入颅脑3D虚拟模型1。颅脑3D虚拟模型1为经过前述CT、MRI图像配准、融合得到，颅脑实体模型2为前述3D打印得到，医生在颅脑实体模型2上操作手术器械5，通过视觉系统3，可以在图形工作站6的显示屏上看到手术器械5位于颅脑3D虚拟模型1的哪一位置，同时力反馈设备4能够将反馈力通过手术器械5反馈到医生手上。即同时具有视觉和力觉反馈。

Claims (6)

1.一种具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：对颅脑组织的CT图像和MRI图像进行配准、融合，获取颅脑组织的3D虚拟模型；

S2：测量得到颅脑组织的弹性模量，3D打印获取与颅脑组织的弹性模量保持一致的实体模型；

S3：通过实体模型、手术器械与3D虚拟模型的配准，在力反馈设备上模拟具有真实触感的神经外科手术；

所述在力反馈设备上模拟具有真实触感的神经外科手术过程具体包括：

321：利用视觉系统采集手术器械的空间位置；

322：根据手术器械的空间位置，由力反馈设备向手术器械产生用于补偿实感的作用力；

同时，基于手术器械与颅脑组织的3D虚拟模型的对应位置关系，在显示屏上显示手术器械在颅脑组织的3D虚拟模型的相应位置。

2.根据权利要求1所述的具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中配准过程具体包括：

111：将CT图像中重建的头皮结构、颅骨结构、血管结构绑定，获得第一点集；

将MRI图像中重建的头皮结构、肿瘤结构、脑组织结构绑定，获得第二点集；

112：根据CT图像和MRI图像中分别重建的头皮结构的一致性和刚性特征，以头皮结构为配准基准，利用三点对齐法进行第一点集和第二点集的粗配准；

113：基于粗配准，利用迭代最近点算法进行第一点集和第二点集的精配准，经精配准后得到在同一空间坐标系下的第一点集和第二点集。

3.根据权利要求1所述的具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中融合过程具体包括：

121：将配准后获得的对应CT图像的第一点集封装成第一模型，将配准后获得的对应MRI图像的第二点集封装成第二模型；

122：分离第一模型、第二模型中的颅骨模型、血管模型、肿瘤模型、脑组织模型和脑室模块；

123：根据不同的布尔运算将分离后的各模型进行拼接，获得包括颅骨、血管、肿瘤、脑组织和脑室的3D虚拟模型。

4.根据权利要求1所述的具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法，其特征在于，所述步骤S2中选用不同颜色、硬度且与颅脑组织的弹性模量保持一致的3D打印材料制作实体模型。

5.根据权利要求1所述的具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法，其特征在于，所述颅脑组织的弹性模量的获取方式为：选用颅脑组织内不同模块的替代物，采用挤压装置对替代物分别进行测定，得到对应的弹性模量；

所述挤压装置包括用于挤压的圆柱形挤压头、用于测量挤压力P的压力传感器和用于测量挤压形变量w的位移传感器；

所述弹性模量E满足以下公式：

其中，r为圆柱形挤压头的半径。

6.根据权利要求1所述的具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法，其特征在于，所述步骤S3中实体模型、手术器械与3D虚拟模型的配准过程具体包括：

311：通过标定手术器械得到器械尖端相对于三个预设的标志点的空间位置；所述标志点为具有临床解剖意义的颅脑特征点，所述特征点位于实体模型上；

312：利用器械尖端获取实体模型上特征点的空间位置，并借助视觉系统，得到实体模型与颅脑组织的3D虚拟模型数据的对应位置关系；

313：根据实体模型与颅脑组织的3D虚拟模型数据的对应位置关系以及器械尖端的空间位置，得到手术器械与颅脑组织的3D虚拟模型的对应位置关系。

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