CN112932683A - 超声引导气管镜的操作模拟方法和系统 - Google Patents

超声引导气管镜的操作模拟方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超声引导气管镜的操作模拟方法和系统，通过第一控制器的位置和姿态控制超声探测器模型在VR/AR环境中的位置和姿态，截取得到探测范围中的三维模型的切面图像；通过第二控制器的位置和姿态控制穿刺针模型在VR/AR环境中的位置和姿态，截取得到探测范围中的穿刺针模型的图像；判断穿刺针模型是否完全位于探测范围中，或者判断穿刺针模型与超声波输出方向的夹角是否大于预设值，在判断结果为否的情况下，根据穿刺针模型和超声探测器模型的位置、姿态计算穿刺针模型需要调整的位置、姿态偏移量，并进行提示。本发明实现了对医生的超声引导操作模拟，有效帮助医生找到具有较佳显示效果的穿刺角度、位置。

Description

超声引导气管镜的操作模拟方法和系统
技术领域
本发明涉及教学展示领域，具体地，涉及一种超声引导气管镜的操作模拟方法和系统。
背景技术
穿刺治疗术是目前较为常见的手术方法，由于人体结构各有差异，体位的不同还会导致内部结构的变化，所以医生靠经验和对解剖学的理解直接从体表穿刺的难度和风险都是较大的，而利用超声成像技术对穿刺进行实时引导可以有效帮助医生降低手术难度和风险。
专利文献CN103268726A公开了一种超声引导针穿刺手术模拟训练系统，该系统可以有效帮助医生提高穿刺的操作熟练度。然而，即使已经有了超声引导穿刺技术，但是该技术并非较为成熟，超声引导穿刺仍然存在一定的风险，其原因一部分在于进行超声引导穿刺时通常会遇到如下两个非医学专业领域的难题：1、穿刺针对超声波的反射，导致超声探头接收到的超声波减少，因此显影困难；2、穿刺针与超声成像切面不重合，导致超声图像显示不了或者显示不全穿刺针。专利文献CN103268726A只能提升医生的操作手感，但并不能帮助医生解决上述两个难题，因此，医生仍然需要其他的模拟训练，帮助其找到准确且便于显影的角度、位置。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超声引导气管镜的操作模拟方法和系统。
根据本发明提供的一种超声引导气管镜的操作模拟方法，包括：
三维模型导入步骤：在VR/AR环境中导入待穿刺对象的三维模型、穿刺针模型以及超声探测器模型，所述超声探测器模型具有一探测端，所述探测端具有一不可见的、向外延伸的探测范围；
超声模拟步骤：通过第一控制器的位置和姿态控制所述超声探测器模型在VR/AR环境中的位置和姿态，截取得到所述探测范围中的所述三维模型的切面图像；
穿刺模拟步骤：通过第二控制器的位置和姿态控制所述穿刺针模型在VR/AR环境中的位置和姿态，截取得到所述探测范围中的所述穿刺针模型的图像；
图像展示步骤：将所述三维模型的切面图像和所述三维模型的切面图像和所述穿刺针模型的图像进行融合展示；
提示步骤：判断所述穿刺针模型是否完全位于所述探测范围中，或者判断所述穿刺针模型与超声波输出方向的夹角是否大于预设值，在判断结果为否的情况下，根据所述穿刺针模型和所述超声探测器模型的位置、姿态计算所述穿刺针模型需要调整的位置、姿态偏移量，并进行提示。
优选地，所述三维模型中具有一个或多个病灶区域。
优选地，所述探测范围为多层结构，所述多层结构包括中心层，以及位于所述中心层两侧的侧边层；
所述切面图像为所述三维模型在所述中心层中的切面图像；
所述穿刺针模型的图像为所述穿刺针模型在所述多层结构中的图像，且所述穿刺针模型偏离所述中心层距离远的部分在所述穿刺针模型的图像中显示更细、颜色更浅。
优选地，所述穿刺针模型中设置有两个或更多探测点，通过判断所述探测点是否全部位于所述探测范围中，来判断所述穿刺针模型是否完全位于所述探测范围中。
优选地，所述图像展示步骤包括将融合图像在所述VR/AR环境中进行展示。
根据本发明提供的一种超声引导气管镜的操作模拟系统，包括：
三维模型导入模块：在VR/AR环境中导入待穿刺对象的三维模型、穿刺针模型以及超声探测器模型，所述超声探测器模型具有一探测端，所述探测端具有一不可见的、向外延伸的探测范围；
超声模拟模块：通过第一控制器的位置和姿态控制所述超声探测器模型在VR/AR环境中的位置和姿态，截取得到所述探测范围中的所述三维模型的切面图像；
穿刺模拟模块：通过第二控制器的位置和姿态控制所述穿刺针模型在VR/AR环境中的位置和姿态，截取得到所述探测范围中的所述穿刺针模型的图像；
图像展示模块：将所述三维模型的切面图像和所述三维模型的切面图像和所述穿刺针模型的图像进行融合展示；
提示模块：判断所述穿刺针模型是否完全位于所述探测范围中，或者判断所述穿刺针模型与超声波输出方向的夹角是否大于预设值，在判断结果为否的情况下，根据所述穿刺针模型和所述超声探测器模型的位置、姿态计算所述穿刺针模型需要调整的位置、姿态偏移量，并进行提示。
优选地，所述三维模型中具有一个或多个病灶区域。
优选地，所述探测范围为多层结构，所述多层结构包括中心层，以及位于所述中心层两侧的侧边层；
所述切面图像为所述三维模型在所述中心层中的切面图像；
所述穿刺针模型的图像为所述穿刺针模型在所述多层结构中的图像，且所述穿刺针模型偏离所述中心层距离远的部分在所述穿刺针模型的图像中显示更细、颜色更浅。
优选地，所述穿刺针模型中设置有两个或更多探测点，通过判断所述探测点是否全部位于所述探测范围中，来判断所述穿刺针模型是否完全位于所述探测范围中。
优选地，所述图像展示模块包括将融合图像在所述VR/AR环境中进行展示。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用VR/AR技术与超声引导手术进行融合，实现了对医生的超声引导操作模拟，有效帮助医生找到具有较佳显示效果的穿刺角度、位置，解决了现有技术无法覆盖的训练内容。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的工作流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供的一种超声引导气管镜的操作模拟方法，包括：
三维模型导入步骤：在VR/AR环境中导入待穿刺对象的三维模型、穿刺针模型以及超声探测器模型，超声探测器模型具有一探测端，探测端具有一不可见的、向外延伸的探测范围。穿刺针模型以及超声探测器模型可通过自行建模获取，三维模型可通过对正常人体进行成像扫描后建模获取，然后在模型中通过随机或者预设规则的方式加入一个或多个病灶，如此可以无需利用病患的数据库进行建模，保护病患的隐私。
超声模拟步骤：使用者通过第一控制器的位置和姿态控制超声探测器模型在VR/AR环境中的位置和姿态，截取得到探测范围中的三维模型的切面图像。
穿刺模拟步骤：使用者通过第二控制器的位置和姿态控制穿刺针模型在VR/AR环境中的位置和姿态，截取得到探测范围中的穿刺针模型的图像。
图像展示步骤：将三维模型的切面图像和三维模型的切面图像和穿刺针模型的图像在VR/AR环境中进行融合展示、
提示步骤：判断穿刺针模型是否完全位于探测范围中，或者判断穿刺针模型与超声波输出方向的夹角是否大于预设值，在判断结果为否的情况下，根据穿刺针模型和超声探测器模型的位置、姿态计算穿刺针模型需要调整的位置、姿态偏移量，并进行提示。
为了更真实的模拟引导穿刺的显示效果，探测范围为多层结构，多层结构包括中心层，以及位于中心层两侧的侧边层，切面图像为三维模型在中心层中的切面图像，穿刺针模型的图像为穿刺针模型在多层结构中的图像，且穿刺针模型偏离中心层距离远的部分在穿刺针模型的图像中显示更细、颜色更浅。
判断穿刺针模型是否完全位于探测范围的方法包括，在穿刺针模型中设置有两个或更多探测点，通过判断探测点是否全部位于探测范围中，来判断穿刺针模型是否完全位于探测范围中。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种超声引导气管镜的操作模拟方法，其特征在于，包括：
三维模型导入步骤：在VR/AR环境中导入待穿刺对象的三维模型、穿刺针模型以及超声探测器模型，所述超声探测器模型具有一探测端，所述探测端具有一不可见的、向外延伸的探测范围；
超声模拟步骤：通过第一控制器的位置和姿态控制所述超声探测器模型在VR/AR环境中的位置和姿态，截取得到所述探测范围中的所述三维模型的切面图像；
穿刺模拟步骤：通过第二控制器的位置和姿态控制所述穿刺针模型在VR/AR环境中的位置和姿态，截取得到所述探测范围中的所述穿刺针模型的图像；
图像展示步骤：将所述三维模型的切面图像和所述三维模型的切面图像和所述穿刺针模型的图像进行融合展示；
提示步骤：判断所述穿刺针模型是否完全位于所述探测范围中，或者判断所述穿刺针模型与超声波输出方向的夹角是否大于预设值，在判断结果为否的情况下，根据所述穿刺针模型和所述超声探测器模型的位置、姿态计算所述穿刺针模型需要调整的位置、姿态偏移量，并进行提示。
2.根据权利要求1所述的超声引导气管镜的操作模拟方法，其特征在于，所述三维模型中具有一个或多个病灶区域。
3.根据权利要求1所述的超声引导气管镜的操作模拟方法，其特征在于，所述探测范围为多层结构，所述多层结构包括中心层，以及位于所述中心层两侧的侧边层；
所述切面图像为所述三维模型在所述中心层中的切面图像；
所述穿刺针模型的图像为所述穿刺针模型在所述多层结构中的图像，且所述穿刺针模型偏离所述中心层距离远的部分在所述穿刺针模型的图像中显示更细、颜色更浅。
4.根据权利要求1所述的超声引导气管镜的操作模拟方法，其特征在于，所述穿刺针模型中设置有两个或更多探测点，通过判断所述探测点是否全部位于所述探测范围中，来判断所述穿刺针模型是否完全位于所述探测范围中。
5.根据权利要求1所述的超声引导气管镜的操作模拟方法，其特征在于，所述图像展示步骤包括将融合图像在所述VR/AR环境中进行展示。
6.一种超声引导气管镜的操作模拟系统，其特征在于，包括：
三维模型导入模块：在VR/AR环境中导入待穿刺对象的三维模型、穿刺针模型以及超声探测器模型，所述超声探测器模型具有一探测端，所述探测端具有一不可见的、向外延伸的探测范围；
超声模拟模块：通过第一控制器的位置和姿态控制所述超声探测器模型在VR/AR环境中的位置和姿态，截取得到所述探测范围中的所述三维模型的切面图像；
穿刺模拟模块：通过第二控制器的位置和姿态控制所述穿刺针模型在VR/AR环境中的位置和姿态，截取得到所述探测范围中的所述穿刺针模型的图像；
图像展示模块：将所述三维模型的切面图像和所述三维模型的切面图像和所述穿刺针模型的图像进行融合展示；
提示模块：判断所述穿刺针模型是否完全位于所述探测范围中，或者判断所述穿刺针模型与超声波输出方向的夹角是否大于预设值，在判断结果为否的情况下，根据所述穿刺针模型和所述超声探测器模型的位置、姿态计算所述穿刺针模型需要调整的位置、姿态偏移量，并进行提示。
7.根据权利要求6所述的超声引导气管镜的操作模拟系统，其特征在于，所述三维模型中具有一个或多个病灶区域。
8.根据权利要求6所述的超声引导气管镜的操作模拟系统，其特征在于，所述探测范围为多层结构，所述多层结构包括中心层，以及位于所述中心层两侧的侧边层；
所述切面图像为所述三维模型在所述中心层中的切面图像；
所述穿刺针模型的图像为所述穿刺针模型在所述多层结构中的图像，且所述穿刺针模型偏离所述中心层距离远的部分在所述穿刺针模型的图像中显示更细、颜色更浅。
9.根据权利要求6所述的超声引导气管镜的操作模拟系统，其特征在于，所述穿刺针模型中设置有两个或更多探测点，通过判断所述探测点是否全部位于所述探测范围中，来判断所述穿刺针模型是否完全位于所述探测范围中。
10.根据权利要求6所述的超声引导气管镜的操作模拟系统，其特征在于，所述图像展示模块包括将融合图像在所述VR/AR环境中进行展示。
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