CN108062980B - 虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示方法，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、规划虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术演示路径及简易交互设置；S3、生成虚拟手术演示，可根据有限简易操作完成虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示。

Description

虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示方法和系统

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演示方法及系统。

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。但是不同的医学院教授面对同一手术时操作习惯不同，需要通过不同路径演示手术教学。

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演示方法和系统。

一种虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示方法，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、规划虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术演示路径及简易交互设置；

S3、生成虚拟手术演示，根据操作完成虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示方法中，所述步骤S1包括：

S11、获取真实人体器官和腹腔镜手术器械数据，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，生成正常腹腔场景；

S13、依照真实腹腔镜手术操作位点，设置虚拟器械锚定点，使虚拟器械绕锚定点进行伸缩、摆动、俯仰、旋转动作，将相机对准手术位置，器械移到初始位置；

S14、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缺损肝脏组合而成，用病变肝脏模型替换步骤S12中的正常肝脏模型，生成囊肿手术模型。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示方法中，

所述步骤S2包括：

S21、配置并加载用于实现吸液针穿刺囊肿的演示脚本，获取囊肿模型的顶点坐标，选取吸液针，选择穿刺位点和吸液针锚定点，依照选取的锚定点坐标、器械坐标和穿刺位点坐标生成穿刺路径，使吸液针沿穿刺路径以默认速度绕锚定点运动，默认速度可修改；

S22、配置并加载用于实现吸液针吸取囊肿积液的演示脚本，获取穿刺点路径，获取缺损肝模型顶点位置，选取吸液变型终点，生成吸液变型路径，使吸液针和囊肿组织以默认速度运动形变，默认速度可以调节；

S23、配置并加载用于实现提起囊肿组织的演示脚本，选取夹钳及其锚定点，选取加持位点，并在场景中创造一个加持终点，生成提拉路径，路径可选择多种连接形式，使夹钳和囊肿组织以默认速度和路径运动型变，默认速度可调节；

S24、配置并加载用于实现囊肿组织切割的演示脚本，选取电凝刀及其锚定点，获取囊肿组织顶点，依次选择顶点作为切割点，生成一条或多条切割路径，使电凝刀以默认速度沿切割路径运动，囊肿组织做出对应变形，默认速度可调节；

S25、配置并加载用于实现囊肿组织切除的演示脚本，选取夹钳及其锚定点，获取夹钳提拉点位置，创造切除终点，生成移除路径，使夹钳和脱落的囊肿组织以默认速度沿移除路径运动，默认速度可调节。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示方法中，

所述步骤S3包括：

S31、在exe文件打开并进入手术场景后，启动虚拟手术演示；

S32、根据S2中的演示脚本，控制演示中操作速度，实现对吸液针刺破囊肿组织，吸取囊肿液，提拉囊肿组织，切割囊肿组织，移除囊肿组织的操作演示，从而完成虚拟手术演示。

一种虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示系统，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；

演示系统构建单元，用于规划虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术演示路径及简易交互设置；

演示实现单元，根据操作完成虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示。

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

获取真实人体器官和腹腔镜手术器械数据，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，生成正常腹腔场景；

依照真实腹腔镜手术操作位点，设置虚拟器械锚定点，使虚拟器械绕锚定点进行伸缩、摆动、俯仰、旋转动作，将相机对准手术位置，器械移到初始位置；

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缺损肝脏组合而成，用病变肝脏模型替换正常肝脏模型，生成囊肿手术模型。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示系统中，

所述演示系统构建单元包括：

配置并加载用于实现吸液针穿刺囊肿的演示脚本，获取囊肿模型的顶点坐标，选取吸液针，选择穿刺位点和吸液针锚定点，依照选取的锚定点坐标、器械坐标和穿刺位点坐标生成穿刺路径，使吸液针沿穿刺路径以默认速度绕锚定点运动，默认速度可修改；

配置并加载用于实现吸液针吸取囊肿积液的演示脚本，获取穿刺点路径，获取缺损肝模型顶点位置，选取吸液变型终点，生成吸液变型路径，使吸液针和囊肿组织以默认速度运动形变，默认速度可以调节；

配置并加载用于实现提起囊肿组织的演示脚本，选取夹钳及其锚定点，选取加持位点，并在场景中创造一个加持终点，生成提拉路径，路径可选择多种连接形式，使夹钳和囊肿组织以默认速度和路径运动型变，默认速度可调节；

配置并加载用于实现囊肿组织切割的演示脚本，选取电凝刀及其锚定点，获取囊肿组织顶点，依次选择顶点作为切割点，生成一条或多条切割路径，使电凝刀以默认速度沿切割路径运动，囊肿组织做出对应变形，默认速度可调节；

配置并加载用于实现囊肿组织切除的演示脚本，选取夹钳及其锚定点，获取夹钳提拉点位置，创造切除终点，生成移除路径，使夹钳和脱落的囊肿组织以默认速度沿移除路径运动，默认速度可调节。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示系统中，

所述演示实现单元包括：

在exe文件打开并进入手术场景后，启动虚拟手术演示；

根据演示系统构建单元的演示脚本，控制演示中操作速度，实现对吸液针刺破囊肿组织，吸取囊肿液，提拉囊肿组织，切割囊肿组织，移除囊肿组织的操作演示，从而完成虚拟手术演示。

实施本发明提供的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示方法和系统与现有技术相比具有以下有益效果：使用Unity编辑器组件自动获取选取的路径结点，导入路径控制脚本，实现手术路径的快速规划生成，可以根据需求布置多条演示路径，提升了教学者、展示者的自由度。

可以根据受训者控制，在操作难度较大的环节放慢演示速度或暂停演示，给予受训者充分的理解空间，加强培训效果。

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演示方法流程图。

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演示方法，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、规划虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术演示路径及简易交互设置；

S3、生成虚拟手术演示，根据操作完成虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示方法中，所述步骤S1包括：

S11、获取真实人体器官和腹腔镜手术器械数据，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，生成正常腹腔场景；

S13、依照真实腹腔镜手术操作位点，设置虚拟器械锚定点，使虚拟器械绕锚定点进行伸缩、摆动、俯仰、旋转动作，将相机对准手术位置，器械移到初始位置；

S14、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缺损肝脏组合而成，用病变肝脏模型替换步骤S12中的正常肝脏模型，生成囊肿手术模型。

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，生成肝囊肿患者腹腔场景；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、切割等形变效果，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演示方法中，

所述步骤S2包括：

S21、配置并加载用于实现吸液针穿刺囊肿的演示脚本，获取囊肿模型的顶点坐标，选取吸液针，选择穿刺位点和吸液针锚定点，依照选取的锚定点坐标、器械坐标和穿刺位点坐标生成穿刺路径，使吸液针沿穿刺路径以默认速度绕锚定点运动，默认速度可修改；

S22、配置并加载用于实现吸液针吸取囊肿积液的演示脚本，获取穿刺点路径，获取缺损肝模型顶点位置，选取吸液变型终点，生成吸液变型路径，使吸液针和囊肿组织以默认速度运动形变，默认速度可以调节；

S23、配置并加载用于实现提起囊肿组织的演示脚本，选取夹钳及其锚定点，选取加持位点，并在场景中创造一个加持终点，生成提拉路径，路径可选择多种连接形式，使夹钳和囊肿组织以默认速度和路径运动型变，默认速度可调节；

S24、配置并加载用于实现囊肿组织切割的演示脚本，选取电凝刀及其锚定点，获取囊肿组织顶点，依次选择顶点作为切割点，生成一条或多条切割路径，使电凝刀以默认速度沿切割路径运动，囊肿组织做出对应变形，默认速度可调节；

S25、配置并加载用于实现囊肿组织切除的演示脚本，选取夹钳及其锚定点获取夹钳提拉点位置，创造切除终点，生成移除路径，使夹钳和脱落的囊肿组织以默认速度沿移除路径运动，默认速度可调节。

运行后通过接口获取场景物体参数，依靠控制脚本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。

依靠物理组件判断器械与肝脏模型是否接触，当器械与器官接触后依靠形变控制脚本控制器官形变。

使用编辑器组件，结合iTween路径插件，自动化获取路径结点位置，并生成路径，提供器械移动和器官形变参数。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示方法中，

所述步骤S3包括：

S31、在exe文件打开并进入手术场景后，启动虚拟手术演示；

S32、根据S2中的演示脚本，控制演示中操作速度，实现对吸液针刺破囊肿组织，吸取囊肿液，提拉囊肿组织，切割囊肿组织，移除囊肿组织的操作演示，从而完成虚拟手术演示。

首先，相机获取腹腔手术视野，确定肝囊肿位置；吸液针根据规划路径移动并刺破囊肿组织，吸液针和囊肿表面随着吸取囊肿液路径移动变形吸取囊肿积液，使囊肿组织疲软、坍缩；夹钳沿规划路径提起囊肿组织；电凝钩沿规划路径切割囊肿组织；最后，被切除的囊肿组织沿规划路径移出体外。

本发明还提供一种虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示系统，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；

演示系统构建单元，用于规划虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术演示路径及简易交互设置；

演示实现单元，根据操作完成虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示。

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

获取真实人体器官和腹腔镜手术器械数据，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，生成正常腹腔场景；

依照真实腹腔镜手术操作位点，设置虚拟器械锚定点，使虚拟器械绕锚定点进行伸缩、摆动、俯仰、旋转动作，将相机对准手术位置，器械移到初始位置；

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缺损肝脏组合而成，用病变肝脏模型替换正常肝脏模型，生成囊肿手术模型。

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，为肝囊肿软组织形变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演示系统中，

所述演示系统构建单元包括：

配置并加载用于实现吸液针穿刺囊肿的演示脚本，获取囊肿模型的顶点坐标，选取吸液针，选择穿刺位点和吸液针锚定点，依照选取的锚定点坐标、器械坐标和穿刺位点坐标生成穿刺路径，使吸液针沿穿刺路径以默认速度绕锚定点运动，默认速度可修改；

配置并加载用于实现吸液针吸取囊肿积液的演示脚本，获取穿刺点路径，获取缺损肝模型顶点位置，选取吸液变型终点，生成吸液变型路径，使吸液针和囊肿组织以默认速度运动形变，默认速度可以调节；

配置并加载用于实现提起囊肿组织的演示脚本，选取夹钳及其锚定点，选取加持位点，并在场景中创造一个加持终点，生成提拉路径，路径可选择多种连接形式，使夹钳和囊肿组织以默认速度和路径运动型变，默认速度可调节；

配置并加载用于实现囊肿组织切割的演示脚本，选取电凝刀及其锚定点，获取囊肿组织顶点，依次选择顶点作为切割点，生成一条或多条切割路径，使电凝刀以默认速度沿切割路径运动，囊肿组织做出对应变形，默认速度可调节；

配置并加载用于实现囊肿组织切除的演示脚本，选取夹钳及其锚定点获取夹钳提拉点位置，创造切除终点，生成移除路径，使夹钳和脱落的囊肿组织以默认速度沿移除路径运动，默认速度可调节。

在本发明所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示系统中，

所述演示实现单元包括：

在exe文件打开并进入手术场景后，启动虚拟手术演示；

根据演示系统构建单元的演示脚本，控制演示中操作速度，实现对吸液针刺破囊肿组织，吸取囊肿液，提拉囊肿组织，切割囊肿组织，移除囊肿组织的操作演示，从而完成虚拟手术演示。

实施本发明提供的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示方法和系统与现有技术相比具有以下有益效果：使用Unity编辑器组件自动获取选取的路径结点，导入路径控制脚本，实现手术路径的快速规划生成，可以根据需求布置多条演示路径，提升了教学者、展示者的自由度。

可以根据受训者控制，在操作难度较大的环节放慢演示速度或暂停演示，给予受训者充分的理解空间，加强培训效果。

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 (6)

1.一种虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示方法，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、规划虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术演示路径及简易交互设置；

S3、生成虚拟手术演示，根据操作完成虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示；

所述步骤S2包括：

S21、配置并加载用于实现吸液针穿刺囊肿的演示脚本，获取囊肿模型的顶点坐标，选取吸液针，选择穿刺位点和吸液针锚定点，依照选取的锚定点坐标、器械坐标和穿刺位点坐标生成穿刺路径，使吸液针沿穿刺路径以默认速度绕锚定点运动，默认速度可修改；

S22、配置并加载用于实现吸液针吸取囊肿积液的演示脚本，获取穿刺点路径，获取缺损肝模型顶点位置，选取吸液变型终点，生成吸液变型路径，使吸液针和囊肿组织以默认速度运动形变，默认速度可以调节；

S23、配置并加载用于实现提起囊肿组织的演示脚本，选取夹钳及其锚定点，选取加持位点，并在场景中创造一个加持终点，生成提拉路径，路径可选择多种连接形式，使夹钳和囊肿组织以默认速度和路径运动型变，默认速度可调节；

S24、配置并加载用于实现囊肿组织切割的演示脚本，选取电凝刀及其锚定点，获取囊肿组织顶点，依次选择顶点作为切割点，生成一条或多条切割路径，使电凝刀以默认速度沿切割路径运动，囊肿组织做出对应变形，默认速度可调节；

S25、配置并加载用于实现囊肿组织切除的演示脚本，选取夹钳及其锚定点，获取夹钳提拉点位置，创造切除终点，生成移除路径，使夹钳和脱落的囊肿组织以默认速度沿移除路径运动，默认速度可调节。

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

S11、获取真实人体器官和腹腔镜手术器械数据，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，生成正常腹腔场景；

S13、依照真实腹腔镜手术操作位点，设置虚拟器械锚定点，使虚拟器械绕锚定点进行伸缩、摆动、俯仰、旋转动作，将相机对准手术位置，器械移到初始位置；

S14、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缺损肝脏组合而成，用病变肝脏模型替换步骤S12中的正常肝脏模型，生成囊肿手术模型。

3.如权利要求2所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示方法，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，启动虚拟手术演示；

S32、根据S2中的演示脚本，控制演示中操作速度，实现对吸液针刺破囊肿组织，吸取囊肿液，提拉囊肿组织，切割囊肿组织，移除囊肿组织的操作演示，从而完成虚拟手术演示。

4.一种虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示系统，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；

演示系统构建单元，用于规划虚拟腹腔镜肝囊肿开窗手术演示路径及简易交互设置；

演示实现单元，根据操作完成虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示；

所述演示系统构建单元包括：

配置并加载用于实现吸液针穿刺囊肿的演示脚本，获取囊肿模型的顶点坐标，选取吸液针，选择穿刺位点和吸液针锚定点，依照选取的锚定点坐标、器械坐标和穿刺位点坐标生成穿刺路径，使吸液针沿穿刺路径以默认速度绕锚定点运动，默认速度可修改；

配置并加载用于实现吸液针吸取囊肿积液的演示脚本，获取穿刺点路径，获取缺损肝模型顶点位置，选取吸液变型终点，生成吸液变型路径，使吸液针和囊肿组织以默认速度运动形变，默认速度可以调节；

配置并加载用于实现提起囊肿组织的演示脚本，选取夹钳及其锚定点，选取加持位点，并在场景中创造一个加持终点，生成提拉路径，路径可选择多种连接形式，使夹钳和囊肿组织以默认速度和路径运动型变，默认速度可调节；

配置并加载用于实现囊肿组织切割的演示脚本，选取电凝刀及其锚定点，获取囊肿组织顶点，依次选择顶点作为切割点，生成一条或多条切割路径，使电凝刀以默认速度沿切割路径运动，囊肿组织做出对应变形，默认速度可调节；

配置并加载用于实现囊肿组织切除的演示脚本，选取夹钳及其锚定点，获取夹钳提拉点位置，创造切除终点，生成移除路径，使夹钳和脱落的囊肿组织以默认速度沿移除路径运动，默认速度可调节。

5.如权利要求4所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示系统，其特征在于，所述手术场景构建单元包括：

获取真实人体器官和腹腔镜手术器械数据，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，生成正常腹腔场景；

依照真实腹腔镜手术操作位点，设置虚拟器械锚定点，使虚拟器械绕锚定点进行伸缩、摆动、俯仰、旋转动作，将相机对准手术位置，器械移到初始位置；

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缺损肝脏组合而成，用病变肝脏模型替换正常肝脏模型，生成囊肿手术模型。

6.如权利要求5所述的虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术演示系统，其特征在于，

所述演示实现单元包括：

在exe文件打开并进入手术场景后，启动虚拟手术演示；

根据演示系统构建单元的演示脚本，控制演示中操作速度，实现对吸液针刺破囊肿组织，吸取囊肿液，提拉囊肿组织，切割囊肿组织，移除囊肿组织的操作演示，从而完成虚拟手术演示。

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