CN112587232B - 一种用于神经外科手术的vr模拟牵引装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于神经外科手术的VR模拟牵引装置及系统，包括医学检测设备、手术器械和显示模块，所述医疗检测设备与数据处理模块连接，数据处理模块与显示模块连接，所述手术器械是用于神经外科手术的VR模拟牵引装置，手术器械与数据处理模块连接，手术器械上设有图像采集模块和方向引导模块。本发明能够及时根据需要调节气囊改变手术器械前进方向，VR显示模块接收全景摄像头传来的数据，结合前期利用医疗图像检测设备信息建立的大脑模型，处理生成虚拟颅内手术环境，实时修正手术器械前进路线，避免其损伤颅内其它健康组织，避免开颅手术造成的巨大创伤，通过前期建模，增加了数据的全面性，避免了隐藏血管神经对手术带来的风险。

Description

一种用于神经外科手术的VR模拟牵引装置及系统

技术领域

本发明属于医疗技术领域，具体的，涉及一种神经外科手术系统的技术领域。

背景技术

传统的信息处理环境一直是人“适应”计算机，而我们的目标或理念是要逐步使计算机“适应”人，使我们能够通过视觉、听觉、触觉、嗅觉，以及形体、手势或口令，参与到信息处理的环境中去，从而取得身临其境的体验。这种信息处理系统已不再是建立在单维的数字化空间上，而是建立在一个多维的信息空间中。VR这种虚拟现实技术正是这样一个多维信息处理技术，近几年VR技术正在快速普及到各行各业。通过创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。

医疗行业作为一个对感官认知要求很高的行业，医生在诊断时如果能够借助更多的技术手段获得清晰真实的感官认知，就能够更加准确的判断手术的方向和操作的难易程度。在现有技术中，已经有很多医疗器械或者医疗技术与VR技术建立了关联，通过VR技术准确识别手术位点，为实习生提供三维模拟环境，为医生模拟演示可能发生的病变等。

神经外科是主治由于外伤导致的脑部、脊髓等神经系统的疾病，例如脑出血出血量危及生命,车祸致脑部外伤，或脑部有肿瘤压迫需手术治疗等。脑部神经发达，血管众多，医生治疗时更需要全面掌握医疗人体环境信息，但是现有技术手段为了更加全面的获得脑部信息普遍采用开颅手术，这种全打开方法虽然能直观看见肿瘤位置等，但也就增加了患者的医疗风险。

为了解决上述问题，现有技术中专利CN201910380053.3一种用于神经外科手术的VR模拟牵引装置提供了一种牵引装置，意图通过微创解决脑部血块清理，利用破碎单元击碎血块，利用VR眼镜接收360°全景的摄像头实时提供图像数据，但是手术操作是个动态操作的过程，如何准确移动不伤害大脑皮层及周围血管神经才是整个装置应该考虑的问题，虽然上述专利为了解决现有技术中采用开颅手术对严重脑溢血患者进行救助，创伤极大，且手术过程中为了准确找到血块位置常需要手术钳进行牵引以暴露手术视野，顺利完成手术，手术钳对大脑皮层也有一定伤害的缺陷提供了更加稳定的手术器械，但是这种器械对人体内数据感知能力有限，所有信息仅仅来自头部的摄像头采集，通过VR眼睛再现，但是有些血管和神经压在其他组织下面，医生即便带上VR眼睛还是难以避免滑坡靠近手术区的血管、神经和大脑皮层等，而且这种牵引装置操作不够灵活，可控性差，这就造成手术风险进一步加大。

发明内容

为了解决现有技术中神经外科手术风险高，牵引装置操作不灵活，信息采集不全面的技术问题，本发明提供了一种用于神经外科手术的VR模拟牵引装置及系统，利用常规医疗检测仪器提供的图像数据建立仿真模型，利用牵引装置前面的摄像头和周围摄像头获得信息实时校正前期采集信息建立的数据模型，利用气囊柔和调整手术器械方向，从而精准控制手术器械操作位置，结合手术器械前进方向和深度在虚拟现实环境中对手术部位的切割让医生能够实时准确感知到下一刻手术可能出现的状况，给医生三维直观的感官认知体验，方便医生能够实施手术过程中切刀位置模拟从而提前预判手术可能产生的风险。

本发明提供了一种用于神经外科手术的VR模拟牵引系统，包括医学检测设备、手术器械和显示模块，所述医疗检测设备与数据处理模块连接，数据处理模块与显示模块连接，所述手术器械是用于神经外科手术的VR模拟牵引装置，手术器械与数据处理模块连接，手术器械上设有图像采集模块和方向引导模块。

进一步的，本发明中医疗检测设备为CT、核磁、X光或者B超检测设备中的一种或者多种。

进一步的，本发明中数据处理模块采用基于平面图像建模的方法，所述基于平面图像建模的方法包括如下步骤：

(1)在医疗检测设备CT或者核磁提供的脑部切片图像信息基础上，对灰度化之后的平面图像进行边缘检测，得到图像的边缘。

(2)在边缘处使用膨胀算法去除图像中相邻颜色之间的过渡色。

(3)三维建模：将位图分解成灰度矩阵，获取矩阵的外轮廓并分段，每一灰度值对应一个高度，将分段点提升到其灰度值对应的高度，利用相邻的三个分段点形成三角面片，利用该三角面片得到的法向量确定内外面，最终得出三维模型图。

进一步的，本发明中，在三维建模基础上利用B超图像或者建模图片以外的其他医疗检测设备图像信息进行模型修正。

进一步的，本发明图形修正基础上再利用数据处理模块计算模拟最佳开孔位置。

本发明提供了一种用于神经外科手术的VR模拟牵引装置，包括摄像头、破碎机构和探杆，所述探杆前端设有前进头，前进头上设有摄像头，探杆和前进头之间设有支撑杆，支撑杆两侧设有破碎机构，探杆和前进头之间设有第一气囊，支撑杆和探杆之间活动连接。

进一步的，本发明探杆和支撑杆之间设有连接球，探杆分为若干段连接杆，每段连接杆之间也设有连接球和第二气囊。

进一步的，本发明破碎机构外部套接吸收腔，吸收腔底部设有气管，破碎机构侧面设有调向杆，调向杆端头设有活塞，破碎机构内部设有螺旋钻，破碎机构底部设有固定杆，破碎机构和摄像头上设有电缆。

本发明中，连接球内设有气管和电缆的容纳腔和穿孔。

通过实施本发明的技术方案，可以达到以下有益效果:

本发明提供的一种用于神经外科手术的VR模拟牵引装置，通过带有气囊的手术器械从颅骨预先钻好的钻孔中插入颅内，能够及时根据需要调节气囊，从而改变手术器械前进方向，VR显示模块接收全景摄像头传来的数据结合前期利用医疗图像检测设备信息建立的大脑模型，处理生成模拟颅内手术环境，实时修正手术器械前进路线，避免其损伤颅内其它健康组织；通过VR显示模块观测到手术器械到达预定位置时，破碎机构对颅内神经周围的血块进行破碎后进行清理，避免开颅手术造成的巨大创伤。

本发明提供的一种用于神经外科手术的VR模拟牵引系统，通过前期模型的建立，增加了数据的全面性，避免了隐藏血管神经对手术带来的风险，而且通过多个摄像头及时校准信息，完善模型，使得人体模型仿真度增加，而且在某一操作前能够提前利用计算机模拟操作，提前预判手术风险，进而减少脑补麻醉带来的副作用和术后发炎的概率，也能够利用虚拟现实技术提供的仿真环境，加快手术进程，简化手术操作，减少手术时间。

附图说明

图1为本发明手术器械结构示意图。

图2为本发明手术器械所处环境模拟图。

图3为本发明破碎机构结构示意图。

图4为本发明连接球结构示意图。

图5为本发明系统原理流程图。

图1-4中，1-前进头，2-支撑杆，3-连接杆，4-探杆，5-第一气囊，6-破碎机构，7-支撑架，8-第二气囊，9-连接球，10-固定杆，11-电缆，12-气管，13-调向杆，14-螺旋钻，15-血块，16-神经，17-血管。

具体实施方式

下面，结合图1-4举实施例说明本发明，但是，本发明并不限于下述的实施例。

本发明实施例用到的部件和器件均可通过公共渠道购买。

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。

实施例一：本发明用于神经外科手术的VR模拟牵引装置

本发明提供了一种用于神经外科手术的VR模拟牵引装置，包括摄像头、破碎机构6和探杆4，所述探杆4前端设有前进头1，前进头1上设有摄像头，探杆4和前进头1之间设有支撑杆2，支撑杆2两侧设有破碎机构6，探杆4和前进头1之间设有第一气囊5，支撑杆2和探杆4之间通过连接球9活动连接，连接球9内设有气管12和电缆11的容纳腔和穿孔，将所有气管12和电缆11穿过连接球9，而且在连接球9内有一定存留，保证旋转时也能够稳定提供动力，实现控制平稳可靠。

本发明探杆分为若干段连接杆3，每段连接杆3之间也设有连接球9和第二气囊8，这就使得连接杆3能够稳定可靠的旋转角度，方便控制。

本发明破碎机构6设置在支撑杆2两侧的支撑架7上，破碎机构6外部套接吸收腔，吸收腔底部设有气管12，通过气管12和真空泵将破碎后的血块直接吸走，破碎机构6侧面设有调向杆13，调向杆13端头设有活塞，活塞通过气动控制，控制精度高，转换过程平滑稳定，破碎机构6内部设有螺旋钻14，破碎机构6底部设有固定杆10，破碎机构6和摄像头上设有电缆。

本发明中支撑杆上也设有摄像头，连接杆上也可能设有摄像头，为破碎机构6附近和探杆4周围探明情况并将数据回传，根据传输回来的手术进展和周围实际情况再次模拟里面环境，医生根据模拟情况再次判断下一步手术操作方向。

本发明中，破碎机构6的螺旋钻14采用压电陶瓷电机驱动，不受外界磁力干涉，体积小频率高，多个摄像头的信号都通过光纤穿回，节省传输通道空间，压电陶瓷电机电缆11和光纤、气管12都穿过连接球，连接球9内存有一小段的电缆11、光纤和气管12，这样连接球9能够换冲关节活动带来的线缆长度变化。

实施例二：用于神经外科手术的VR模拟牵引系统

本发明提供了一种用于神经外科手术的VR模拟牵引系统，包括CT、核磁、X光或者B超这类医学检测设备、用于神经外科手术的VR模拟牵引装置和显示模块，显示模块为多块显示屏，将建立好的三维模型及摄像头传回的数据二次再现在电脑上，通过利用计算机所具有的虚拟模拟功能，可以三维旋转显示手术现场状况，所述医疗检测设备与数据处理模块连接，数据处理模块与显示模块连接，用于神经外科手术的VR模拟牵引装置与数据处理模块连接，用于神经外科手术的VR模拟牵引装置上设有图像采集模块和方向引导模块，引导模块就是气囊和连接球。

本发明中医疗检测设备为中的一种或者多种。

本发明中数据处理模块采用基于平面图像建模的方法，包括如下步骤：

(1)在医疗检测设备CT或者核磁提供的脑部切片图像信息基础上，对灰度化之后的平面图像进行边缘检测，得到图像的边缘。

(2)在边缘处使用膨胀算法去除图像中相邻颜色之间的过渡色。

(3)三维建模：将位图分解成灰度矩阵，获取矩阵的外轮廓并分段，每一灰度值对应一个高度，将分段点提升到其灰度值对应的高度，利用相邻的三个分段点形成三角面片，利用该三角面片得到的法向量确定内外面，最终得出三维模型图。

本发明中，在三维建模基础上利用B超图像或者建模图片以外的其他医疗检测设备图像信息进行模型修正。

本发明图形修正基础上再利用数据处理模块计算模拟最佳开孔位置。

实施例三：用于神经外科手术的VR模拟牵引装置及系统的适用

1.设定模拟实验体：这种实验体头部内有人工制造血管17和神经16，根据真实情况，一般血块出现的位置就是血管17附近，模拟实验体也是这种结构，采用不同材质制造模拟血管17和神经网络，也采用与血管17壁近似材料制造大脑皮层组织。

2.三维建模：利用光学探测手段采集模拟实验体内部结构影像，采用计算机对影像进行三维建模，利用B超方法探测带有液体的血管17网络对三维模型进行二次校正，根据三维模型内模拟实验体内血块15位置选择开孔点并开孔。

3.手术：用于神经外科手术的VR模拟牵引装置深入模拟实验体内部，开始移动，医生根据三维模型及用于神经外科手术的VR模拟牵引装置进入后摄像头传输回的数据及时校正位置，通过控制不同气囊的气压调整探杆4的方向，最终将探杆4轻轻推进到血块附近，控制活塞1从而控制破碎机构6方向，控制压电陶瓷电机开始用螺旋形钢丝将血块15击碎，破碎机构6前面有两个尖刺型，不断深入到血块15中，破碎机构6外套接的吸收腔利用破碎机构6两侧的开口及螺旋钻向后的驱动力能够将大多数前面搅碎的血块15粉末从气管中吸出，医生全程观测显示模块上显示的破碎机构位置和血块量等完成操作。

4.结构评价：手术结束后根据血管17、神经16和大脑皮层等损坏情况及血块15清理情况判断系统及装置的好坏，经过本发明实验，通过三维模型模拟能够很大程度再现脑内情况，没有造成血管17、神经16和大脑皮层等损坏，血块15清理也较为彻底。通过前期模型的建立，增加了数据的全面性，避免了隐藏血管17、神经16对手术带来的风险，而且通过多个摄像头及时校准信息，完善模型，使得人体模型仿真度增加，而且最后靠近血管17清理血块时，采用计算机根据气囊每次推进量和气管对探针位置的影响模拟手术后结果，提前预判手术风险，进而减少脑补麻醉带来的副作用和术后发炎的概率，简化手术操作，减少手术时间。

5.本发明产品也同时采用了动物尸体进行了操作模拟。

如上所述，即可较好地实现本发明，上述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种改变和改进，均应落入本发明确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于神经外科手术的VR模拟牵引装置，包括摄像头、破碎机构和探杆，其特征在于，所述探杆前端设有前进头，前进头上设有摄像头，探杆和前进头之间设有支撑杆，支撑杆两侧设有破碎机构，探杆和前进头之间设有第一气囊，支撑杆和探杆之间活动连接；

所述探杆和支撑杆之间设有连接球，探杆分为若干段连接杆，每段连接杆之间也设有连接球和第二气囊；

所述破碎机构外部套接吸收腔，吸收腔底部设有气管，破碎机构侧面设有调向杆，调向杆端头设有活塞，破碎机构内部设有螺旋钻，破碎机构底部设有固定杆，破碎机构和摄像头上设有电缆。

2.根据权利要求1所述的一种用于神经外科手术的VR模拟牵引装置，其特征在于，所述连接球内设有气管和电缆的容纳腔和穿孔。

3.一种用于神经外科手术的VR模拟牵引系统，包括医疗检测设备、手术器械和显示模块，其特征在于，所述医疗检测设备与数据处理模块连接，数据处理模块与显示模块连接，所述手术器械是如权利要求1所述的用于神经外科手术的VR模拟牵引装置，手术器械与数据处理模块连接，手术器械上设有图像采集模块和方向引导模块；所述方向引导模块包括若干段连接杆，连接杆之间设有连接球和第二气囊；

所述数据处理模块采用基于平面图像建模的方法，所述基于平面图像建模的方法包括如下步骤：

（1）在医疗检测设备CT或者核磁提供的脑部切片图像信息基础上，对灰度化之后的平面图像进行边缘检测，得到图像的边缘；

（2）在边缘处使用膨胀算法去除图像中相邻颜色之间的过渡色；

（3）三维建模：将位图分解成灰度矩阵，获取矩阵的外轮廓并分段，每一灰度值对应一个高度，将分段点提升到其灰度值对应的高度，利用相邻的三个分段点形成三角面片，利用该三角面片得到的法向量确定内外面，最终得出三维模型图；

在三维建模基础上利用B超图像或者建模图像以外的其他医疗检测设备图像信息进行模型修正；

所述模型修正基础上再利用数据处理模块计算模拟最佳开孔位置。

4.根据权利要求3所述的一种用于神经外科手术的VR模拟牵引系统，其特征在于，所述医疗检测设备为CT、核磁、X光或者B超检测设备中的一种或者多种。

Images