CN107657881A - 基于虚拟现实的近距离粒子植入手术训练方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟现实的近距离粒子植入手术训练方法：读取DICOM图形并实时显示，三维重建得到靶区器官模型；规划穿刺路径、粒子植入位置，生成计量规划报告；受训者佩戴VR头盔，右手柄拟化为穿刺针，左手柄拟化为穿刺模板；按下右手柄的“确认”按键，在预留模拟针道放置一枚粒子，如果达到位置则继续放置下一枚粒子，并动态生成剂量球；如果放置位置不对则提示并自动删除该枚粒子，重新放置粒子，直到粒子正确；放置完所有粒子后，提示训练完成，并生成训练报告。本发明通过虚拟现实系统，在术前规划阶段进行体部肿瘤粒子植入放射治疗手术训练，模拟避开重要器官并最终达到靶区，达到模拟手术训练的目的。

Description

基于虚拟现实的近距离粒子植入手术训练方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，属于机械、计算机与医学放疗领域交叉的前沿学科，尤其是涉及一种基于虚拟现实设备的近距离粒子植入手术训练方法。

背景技术

随着现代人癌症发病率越来越高，在体部肿瘤的治疗中，作为一种重要的治疗方式，放射治疗越来越受到重视。放疗过程是通过各种高能射线照射肿瘤病变组织，以达到抑制和杀灭癌细胞的治疗方法。现阶段的放射治疗肿瘤依照其不同的方式，可以被划分为远距离放疗和近距离放疗。远距离放疗是通过X射线治疗机等将射线聚焦在人体外对体表或体内肿瘤部位进行短时间照射，以起到杀死肿瘤细胞的作用，代表的治疗方式为外照射、体表照射。近距离放疗则是通过放射性核素靠近肿瘤部位，主要依靠γ射线抑制、杀伤肿瘤细胞，代表的治疗方式主要有¹²⁵I粒子植入式治疗与¹⁹²Ir后装治疗。近年来，近距离粒子局部微创消融放疗在恶性肿瘤综合治疗中的地位愈发显得重要，目前已经有应用于前列腺癌、肺癌、肝癌等恶性肿瘤的治疗上。

作为一种近距离放疗治疗手段，放射性¹²⁵I粒子植入被越来越多应用到临床治疗并取得非常好的疗效。相较于传统的远距离照射治疗，粒子植入式的放射治疗具有许多远距离照射无法比拟的优点：1.粒子被精确植入肿瘤内部，能够精确的杀灭癌细胞的同时，也减少了放射性核素对周围正常组织的放射性损伤，不会造成例如外照射对体表皮肤、内脏重要器官等组织的永久性伤害。2.由于粒子被永久性植入肿瘤组织，因此其照射剂量相对固定，患者移动时并不会影响其他器官，对肿瘤组织可造成持续性伤害，疗效也更加明显，不会对患者的日常生活产生影响，使患者生活质量有极大的提高3.植入粒子数目可根据患者、病情、靶区形状、位置具体情况变动，具有更大的灵活性。通过控制粒子数目以及粒子位置，较好地包围治疗靶区，达到较理想的放射剂量分布，因此并发症较少。一项跟踪病人显示，接受近距离粒子局部放疗的病人，12年内无生物指标复发率达到78.4％，12年生存率达到94.5％。通过各大医院使用放射性粒子植入式治疗肿瘤的情况，粒子的精确到达植入靶区位置至关重要，其关系到肿瘤靶区的剂量分布，直接关系到放疗疗效，而粒子植入需要长时间的临床训练，受训者的熟练程度至关重要。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了一种基于虚拟现实的近距离粒子植入手术训练方法，是一种在虚拟现实环境下进行体部肿瘤粒子植入放射治疗手术训练的方法，通过虚拟现实系统，在术前规划阶段进行体部肿瘤粒子植入放射治疗手术训练，模拟避开重要器官并最终达到靶区，达到模拟手术训练的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种基于虚拟现实的近距离粒子植入手术训练方法，采用HTC VIVE作为虚拟现实系统，虚拟现实设备包括VR头盔、A频道红外定位仪、B频道红外定位仪、左手柄和右手柄，VR头盔通过串流盒连接至计算机，包括以下步骤：

步骤一，从病人图像数据库读取DICOM图形并实时显示，进行三维重建，提取病人的皮肤和组织器官模型；根据DICOM图上的肿瘤靶区进行勾画，三维重建得到靶区器官模型；

步骤二，依据病人病情、靶区位置实际情况，规划穿刺路径、粒子植入位置，并生成计量规划报告；

步骤三，受训者进入训练模式，佩戴上VR头盔，通过手柄进行模拟粒子植入，右手柄在视野中拟化为穿刺针，左手柄在视野中拟化为穿刺模板，在虚拟环境中，受训者按下左手柄扳机在皮肤预定位置上放置模板；

步骤四，受训者右手持“穿刺针”按照模板上预留的针道进行模拟穿刺，按下右手柄的“确认”按键，在预留模拟针道放置一枚粒子，在粒子放置完成后，会自动与术前规划的粒子位置进行比较，如果达到位置则继续放置下一枚粒子，并动态生成剂量球；如果放置位置不对则提示“粒子放置位置不正确”并自动删除该枚粒子，提示受训者进行重新粒子放置，直到粒子位置正确；

步骤五，放置完所有术前规划预留粒子后，提示模拟训练完成，并生成训练报告，包括失败次数、模拟穿刺总耗时、平均粒子放置耗时，以及模拟训练生成的DVH曲线，并分析与参考DVH曲线的相似程度。

所述VR头盔设计有防碰撞系统，当使用者到达预先划定的房间边缘时，前置摄像头会开启并将现实世界的图形进行显示。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明新颖、便捷，技术上易于实现，方便受训者进行使用、操作。采用高精度红外线定位仪配合相应的头盔及交互用的手柄机构，在实现高精度定位的同时，能够实时追踪受训者头部的相对位置、两只手柄的相对位置。本发明通过完全模拟真实环境、给受训者近乎真实的沉浸感，通过预先判断植入粒子位置正确与否，达到提高受训者粒子植入水平的有益效果。

(2)本发明设计有防碰撞系统，当使用者到达预先划定的房间边缘时，前置摄像头会开启并将现实世界的图形进行显示，从而达到最大程度的保证使用者的安全性。

(3)本发明采用实时进行判断的算法，每植入一枚粒子就实时进行位置判断，方便受训者进行错误纠正、提高粒子植入水平。本发明最大的优点在于实时性与高度的沉浸性。进行模拟穿刺的皮肤、骨骼模型来源病人的DICOM图，由DICOM图进行三维重建，靶区模型来源主治医生的勾画，从而保证三维模型最大程度的真实性。在进行模拟植入例子时，红外线定位仪能实时追踪人头部的位姿变化，进而得出人头部相对于世界坐标系(红外线定位仪)的旋转矩阵，能够将场景进行实时的渲染，计算得出具有不同视角的左右眼图像，能够最大程度的模拟真实场景，使受训者能够完全沉浸在虚拟空间中进行训练，从而较好的模拟真实植入粒子手术的过程。

附图说明

图1是本发明实验房间场景布置图；

图2是本发明原理图；

图3是本发明流程图；

图4是本发明肿瘤靶区穿刺示意图。

附图标记:1肿瘤靶区；2穿刺针；3粒子；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明旨在提出一种个性化定制的可以模拟体部肿瘤粒子植入放射治疗手术训练的方法，实现虚拟现实环境。该方法具有高度的沉浸性，与真实环境相比具有较高的相似度。该结构简洁，高效，易于维护，可作为放疗粒子植入辅助设备的参考训练方法。

在实现放射性粒子¹²⁵I植入患者体内的进行微创治疗的实际过程中，首先需要将患者通过负压气垫固定于CT连床上，然后使用电磁定位仪对患者摆位进行标定，确定患者在坐标系的位置。然后对患者进行CT扫描，定义肿瘤靶区1，确定病灶位置。医生对刺入肿瘤区域的插植针进行预规划，此时确定插植针的刺入角度、位置以及针道个数。手术过程中，医生可通过固定模板上的针道通孔向肿瘤组织植入插植针，然后通过中部空心的插植针向肿瘤组织植入放射性粒子¹²⁵I实施治疗。本发明旨在最大程度的模拟以上步骤，从而达到训练医生进行粒子植入、减小手术风险、提高手术成功率，并且能对治疗结果进行预模拟。

在试验器材方面，考虑到虚拟现实系统的定位准确性，选取HTC VIVE作为虚拟现实系统，虚拟现实设备包括VR头盔、A频道红外定位仪、B频道红外定位仪、左手柄和右手柄等，左手柄和右手柄均采用交互式手柄。如图1所示，A频道红外定位仪通过三角支架固定在距离地面2m以上的地方，B频道红外定位仪与A频道红外定位仪对角布置，间隔小于5m，要求地面平整光洁，反光程度较小，且A频道红外定位仪和B频道红外定位仪必须向下倾斜10°-15°以达到最好的跟踪效果。A频道红外定位仪和B频道红外定位仪作为对角线生成的空间，不得放置杂物，空间内不得有反光物体否则会影响定位精度。将VR头盔连接串流盒，通过串流盒连接至计算机。房间内有较大的空间，方便模拟真实的粒子3植入情况。

本发明的基于虚拟现实的近距离粒子3植入手术训练方法，如图2至图4所示，具体过程如下：

步骤一，首先进行病人图像数据管理，从病人图像数据库读取DICOM图形并实时显示，进行三维重建(面绘制)，提取病人的皮肤和组织器官模型；主治医生根据DICOM图上的肿瘤靶区1进行勾画，三维重建得到靶区器官模型。

病人被固定在CT床上进行扫描，得到一组DICOM图形数据。接下来通过对图形数据进行分析、排除错误图，建立病人的图形数据档案，进行图像数据管理。

步骤二，主治医生依据病人病情、靶区位置实际情况，规划穿刺路径、粒子植入位置，并生成计量规划报告。

步骤三，受训者进入训练模式，开始进行模拟训练，佩戴上VR头盔，动态加载模型，将模型实时的显示在头戴式显示器中。通过手柄进行模拟粒子3植入，右手柄在视野中拟化为穿刺针2(1:1)，左手柄在视野中拟化为穿刺模板，在虚拟环境中，受训者按下左手柄扳机在皮肤预定位置上放置模板，即按照模板预先放置的位置进行模板位姿固定。

其中，VR头盔设计有防碰撞系统，当使用者到达预先划定的房间边缘时，前置摄像头会开启并将现实世界的图形进行显示，从而达到最大程度的保证使用者的安全性。

步骤四，受训者右手持“穿刺针”按照模板上预留的针道进行模拟穿刺，按下右手柄的“确认”按键，在预留模拟针道放置一枚粒子3，在粒子3放置完成后，采用实时进行判断的算法，自动与术前规划的粒子3位置进行比较。如果达到位置则继续放置下一枚粒子3，并动态生成剂量球。如果放置位置不对则提示“粒子放置位置不正确”并自动删除该枚粒子3，提示受训者进行重新粒子3放置，直到粒子3位置正确。其中粒子3为放射性粒子¹²⁵I。

步骤五，放置完所有术前规划预留粒子3后，所有粒子3均达到预定位置，提示模拟训练完成，并生成训练报告，包括失败次数、模拟穿刺总耗时、平均粒子放置耗时，以及模拟训练生成的DVH曲线，并分析与参考DVH曲线的相似程度，以便受训者进行总结归纳、提高粒子3植入的技巧。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种基于虚拟现实的近距离粒子植入手术训练方法，采用HTC VIVE作为虚拟现实系统，虚拟现实设备包括VR头盔、A频道红外定位仪、B频道红外定位仪、左手柄和右手柄，VR头盔通过串流盒连接至计算机，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，从病人图像数据库读取DICOM图形并实时显示，进行三维重建，提取病人的皮肤和组织器官模型；根据DICOM图上的肿瘤靶区1进行勾画，三维重建得到靶区器官模型；

步骤二，依据病人病情、靶区位置实际情况，规划穿刺路径、粒子植入位置，并生成计量规划报告；

步骤三，受训者进入训练模式，佩戴上VR头盔，通过手柄进行模拟粒子植入，右手柄在视野中拟化为穿刺针，左手柄在视野中拟化为穿刺模板，在虚拟环境中，受训者按下左手柄扳机在皮肤预定位置上放置模板；

步骤四，受训者右手持“穿刺针”按照模板上预留的针道进行模拟穿刺，按下右手柄的“确认”按键，在预留模拟针道放置一枚粒子，在粒子放置完成后，会自动与术前规划的粒子位置进行比较，如果达到位置则继续放置下一枚粒子，并动态生成剂量球；如果放置位置不对则提示“粒子放置位置不正确”并自动删除该枚粒子，提示受训者进行重新粒子放置，直到粒子位置正确；

步骤五，放置完所有术前规划预留粒子后，提示模拟训练完成，并生成训练报告，包括失败次数、模拟穿刺总耗时、平均粒子放置耗时，以及模拟训练生成的DVH曲线，并分析与参考DVH曲线的相似程度。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的近距离粒子植入手术训练方法，其特征在于，所述VR头盔设计有防碰撞系统，当使用者到达预先划定的房间边缘时，前置摄像头会开启并将现实世界的图形进行显示。