CN113539036A - 一种具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法，属于手术模拟技术领域，解决了不能真实模拟人体脊柱手术的问题，其包括以下步骤：S1:将脊髓组织的MRI图像与脊柱组织的3D虚拟模型相融合，以此获取脊柱组织以及脊髓组织的3D虚拟模型；在脊柱组织和脊髓组织的3D虚拟模型中选择添加病变组织虚拟模型；将所有虚拟模型的数据导入佩戴式虚拟成像眼镜；S2:测量得到病变组织和脊柱组织以及脊髓组织的弹性模量，3D打印获取与病变组织和脊柱组织以及脊髓组织的弹性模量保持一致的实体模型；S3:通过实体模型、佩戴式虚拟成像眼镜和手术器械的共同作用，最大化模拟脊柱的手术情况，帮助初学者快速掌握手术的技巧。
Description
技术领域
本发明属于手术模拟技术领域，具体属于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
神经外科手术教学中，现有的还是在实际手术中进行观察，并不能实际动手操作，对于不能结合操作进行学习的教学模式，其效率低，学习周期长。科技发展中，虚拟现实技术越来越成熟，其成像真实度越来越高，配合感应设备能够实现各类情景模拟，结合神经外科的手术学习，能够让学生虚实结合进行学习，同时也能够在手术前进行模拟仿真，提高真正手术过程中的效率和精确性。
现有的技术是通过在其他动物上进行脊柱手术，用于模拟人体脊柱的手术，但是动物身体构造与人体的身体构造还是具有一定的差距，模拟人体脊柱手术的程度有限；或者导师直接指导在真实手术中进行训练，该方法可能会伤害到患者的身体。
发明内容
针对现有技术中不能真实模拟人体脊柱手术的问题，本发明提供一种具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法，其目的在于：最大化模拟脊柱的手术情况，帮助初学者快速掌握手术的技巧。
本发明采用的技术方案如下：
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:将脊柱组织的CT图像和MRI图像进行配准融合，以此获取脊柱组织的3D虚拟模型，将脊髓组织的MRI图像与脊柱组织的3D虚拟模型相融合，以此获取脊柱组织以及脊髓组织的3D虚拟模型；在脊柱组织和脊髓组织的3D虚拟模型中选择添加病变组织虚拟模型；将所有虚拟模型的数据导入佩戴式虚拟成像眼镜；S2:测量得到病变组织和脊柱组织以及脊髓组织的弹性模量，3D打印获取与病变组织和脊柱组织以及脊髓组织的弹性模量保持一致的实体模型；S3:通过实体模型、佩戴式虚拟成像眼镜和手术器械的共同作用，在视觉和触觉上模拟具有真实触感的神经外科手术。
采用上述方案，通过脊柱和脊髓的3D虚拟模型相互融合配准得到高度真实的脊柱组织以及脊髓组织的立体结构，将所得3D虚拟模型打印成实体模型，使手术具有真实的触感，并将所得3D虚拟模型的数据传到佩戴式虚拟成像眼镜中，佩戴式虚拟成像眼镜对3D虚拟模型的细节进行渲染，例如血液的流动、神经的跳动和肌肉的颤动等等，使手术进一步真实化，最大化模拟真实脊柱的手术情况，帮助初学者快速掌握手术的技巧。
优选的，所述手术器械和实体模型上设置有数个传感器。
采用上述方案，传感器用于辅助手术的进行，实时监测手术过程中的各个数据的变化，为模拟手术提供一个真实的体验。
优选的，所述传感器包括力传感器和定位传感器，所述传感器连接有传感信息处理装置，所述传感信息处理装置包括显示装置，所述传感信息处理装置将信息处理并展示在显示装置上，所述传感信息处理装置与佩戴式虚拟成像眼镜连接。
采用上述方案，力传感器用于监测手术过程中的力量变化，为手术的精确提供一个有力依据；佩戴式虚拟成像眼镜通过定位传感器的实时位置信息传输，将接收的画面实时调整变化；传感信息处理装置将信息处理传输给佩戴式虚拟成像眼镜，使操作手术的人通过佩戴式虚拟成像眼镜体验出真实的手术过程，传感信息处理装置将佩戴式虚拟成像眼镜的画面展示在显示装置上，由导师进行指导或者检查手术过程。
优选的，所述手术器械包括手持端和非手持端，所述定位传感器安装在非手持端和实体模型需要手术的位置周围以及实体模型的轮廓，所述力传感器安装在手持端和实体模型需要手术的位置周围。
采用上述方案，实体模型的轮廓上的定位传感器使佩戴式虚拟成像眼镜根据变化调整虚拟画面的远近和角度，手术器械和实体模型上的定位传感器对将手术器械进行空间定位；力传感器对手术部位和手术器械的力量变化进行监测。
优选的，所述步骤S1中获取脊柱组织以及脊髓组织的3D虚拟模型的具体过程包括:将脊柱组织的CT图像的血管结构和椎骨结构与脊柱组织的MRI图像的血管结构和软组织结构一一对应并绑定，并利用迭代最近点算法对图像进一步的精确配准，最终得到脊柱组织的3D虚拟模型；将脊髓组织的MRI图像的神经结构与脊柱组织的3D虚拟模型的血管结构和椎骨结构进行配准得到脊柱组织以及脊髓组织的3D虚拟模型。
采用上述方案，通过CT图像与MRI图像的结合可以得到更真实的3D虚拟模型，帮助医护人员体验贴近真实的手术情况。
优选的，所述步骤S1中添加病变组织虚拟模型的具体过程包括:在脊柱组织以及脊髓组织的3D虚拟模型中选择一处添加病变组织虚拟模型，病变组织虚拟模型附着在血管结构、神经结构上或者包覆血管结构、神经结构。
采用上述方案，根据不同的手术情况，将病变组织放置在不同的位置，实现多种情况的手术模拟，实用性强，效率高。
优选的，所述步骤S2中选用硬度不同且与脊柱组织以及脊髓组织的弹性模量保持一致的3D打印材料制作实体模型。
采用上述方案，实体模型与人体脊柱及相关的组织的弹性模量一致可以模拟出手术中的真实触感，以便手术操作者体验出手术过程中的手术操作力度。
优选的，所述病变组织和脊柱组织以及脊髓组织的弹性模量的获取方式为：选用病变组织和脊柱组织以及脊髓组织的替代物，采用弹性模量测试仪对替代物分别进行测定，得到对应的弹性模量。
采用上述方案，利用替代物进行弹性模量的测试，避免直接使用人体组织测试从而损坏珍贵的人体组织材料，替代物可以使实体模型的真实性大大增加。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、通过脊柱和脊髓的3D虚拟模型相互融合配准得到高度真实的脊柱组织以及脊髓组织的立体结构，将所得3D虚拟模型打印成实体模型，使手术具有真实的触感，并将所得3D虚拟模型的数据传到佩戴式虚拟成像眼镜中，佩戴式虚拟成像眼镜对3D虚拟模型的细节进行渲染，例如血液的流动、神经的跳动和肌肉的颤动等等，使手术进一步真实化，最大化模拟真实脊柱的手术情况，帮助初学者快速掌握手术的技巧。
2、传感器用于辅助手术的进行，实时监测手术过程中的各个数据的变化，为模拟手术提供一个真实的体验。
3、力传感器用于监测手术过程中的手术部位的力量变化，为手术的精确提供一个有力依据；佩戴式虚拟成像眼镜通过定位传感器的实时位置信息传输，将接收的画面实时调整变化；传感信息处理装置将信息处理传输给佩戴式虚拟成像眼镜，使操作手术的人通过佩戴式虚拟成像眼镜体验出真实的手术过程，传感信息处理装置将佩戴式虚拟成像眼镜的画面展示在显示装置上，由导师进行指导或者检查手术过程。
4、实体模型的轮廓上的定位传感器使佩戴式虚拟成像眼镜根据变化调整虚拟画面的远近和角度，手术器械和实体模型上的定位传感器对将手术器械进行空间定位；力传感器对手术部位和手术器械的力量变化进行监测。
5、通过CT图像与MRI图像的结合可以得到更真实的3D虚拟模型，帮助医护人员体验贴近真实的手术情况。
6、根据不同的手术情况，将病变组织放置在不同的位置，实现多种情况的手术模拟，实用性强，效率高。
7、实体模型与人体脊柱及相关的组织的弹性模量一致可以模拟出手术中的真实触感，以便手术操作者体验出手术过程中的手术操作力度。
8、利用替代物进行弹性模量的测试，避免直接使用人体组织测试从而损坏珍贵的人体组织材料，替代物可以使实体模型的真实性大大增加。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1对本发明作详细说明。
实施例一：
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:将脊柱组织的CT图像和MRI图像进行配准融合，以此获取脊柱组织的3D虚拟模型，将脊髓组织的MRI图像与脊柱组织的3D虚拟模型相融合，以此获取脊柱组织以及脊髓组织的3D虚拟模型；在脊柱组织和脊髓组织的3D虚拟模型中选择添加病变组织虚拟模型；将所有虚拟模型的数据导入佩戴式虚拟成像眼镜；S2:测量得到病变组织和脊柱组织以及脊髓组织的弹性模量，3D打印获取与病变组织和脊柱组织以及脊髓组织的弹性模量保持一致的实体模型；S3:通过实体模型、佩戴式虚拟成像眼镜和手术器械的共同作用，在视觉和触觉上模拟具有真实触感的神经外科手术。
所述手术器械的手持部分和实体模型的需要手术的位置设置有数个传感器，手术器械的手持部分安装力传感器，手术器械的手术部分安装定位传感器。
所述传感器包括力传感器和定位传感器，所述传感器连接有传感信息处理装置，所述传感信息处理装置包括显示装置，所述传感信息处理装置将信息处理并展示在显示装置上，所述传感信息处理装置与佩戴式虚拟成像眼镜连接。
所述手术器械包括手持端和非手持端，所述定位传感器安装在非手持端和实体模型需要手术的位置周围以及实体模型的轮廓，所述力传感器安装在手持端和实体模型需要手术的位置周围。
所述步骤S1中获取脊柱组织以及脊髓组织的3D虚拟模型的具体过程包括:将脊柱组织的CT图像的血管结构和椎骨结构与脊柱组织的MRI图像的血管结构和软组织结构一一对应并绑定，并利用迭代最近点算法对图像进一步的精确配准，最终得到脊柱组织的3D虚拟模型；将脊髓组织的MRI图像的神经结构与脊柱组织的3D虚拟模型的血管结构和椎骨结构进行配准得到脊柱组织以及脊髓组织的3D虚拟模型。
所述步骤S1中添加病变组织虚拟模型的具体过程包括:在脊柱组织以及脊髓组织的3D虚拟模型中选择一处添加病变组织虚拟模型，病变组织虚拟模型附着在血管结构、神经结构上或者包覆血管结构、神经结构。
所述步骤S2中选用硬度不同且与脊柱组织以及脊髓组织的弹性模量保持一致的3D打印材料制作实体模型。
所述病变组织和脊柱组织以及脊髓组织的弹性模量的获取方式为：选用病变组织和脊柱组织以及脊髓组织的替代物，采用弹性模量测试仪对替代物分别进行测定，得到对应的弹性模量。
在上述实施例一中，弹性模量测试仪的测试步骤：先将代替物切成规则的形状，对规则的代替物进行横截面积测量得到S；将规则的代替物放置在光滑的平面上进行长度测量得到L1,再进行质量的测定得到F1,；将规则的代替物挂在弹性模量测试仪上，添加一定质量的砝码，测定此时规则的代替物长度得到L2，砝码的质量为F2。
弹性模型：
此测试方法消除了自身重力的影响，可以得到比较精确的弹性模量。
在经过步骤S1和步骤S2后得到了高度真实的脊柱及脊髓的实体模型，医护人员将佩戴式虚拟成像眼镜佩戴好，打开各个传感器以及传感信息处理装置，通过定位传感器对佩戴式虚拟成像眼镜进行引导定位，实体模型的轮廓上的定位传感器使佩戴式虚拟成像眼镜根据变化调整虚拟画面的远近和角度；准备完毕后，医护人员拿取手术器械对脊柱的病变部位进行开刀，手术器械上的定位传感器将手术器械进行立体定位并实时传输给传感信息处理装置，传感信息处理装置处理后反馈给佩戴式虚拟成像眼镜，佩戴式虚拟成像眼镜上的显示屏将手术器械的所在脊柱位置画面展现给医护人员，模拟的手术器械科随着真实的手术器械移动而移动。佩戴式虚拟成像眼镜进行相应的细节渲染，模拟出真实手术状态。手术的过程在显示装置上播放出来，方便导师进行手术的指导和评价，对于训练的医护人员具有重要的训练意义。佩戴式虚拟成像眼镜提供视觉上的真实模拟，用手术器械对实体模型进行手术得到触觉上的真实体验。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (8)
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:将脊柱组织的CT图像和MRI图像进行配准融合，以此获取脊柱组织的3D虚拟模型，将脊髓组织的MRI图像与脊柱组织的3D虚拟模型相融合，以此获取脊柱组织以及脊髓组织的3D虚拟模型；在脊柱组织和脊髓组织的3D虚拟模型中选择添加病变组织虚拟模型；将所有虚拟模型的数据导入佩戴式虚拟成像眼镜；
S2:测量得到病变组织和脊柱组织以及脊髓组织的弹性模量，3D打印获取与病变组织和脊柱组织以及脊髓组织的弹性模量保持一致的实体模型；
S3:通过实体模型、佩戴式虚拟成像眼镜和手术器械的共同作用，在视觉和触觉上模拟具有真实触感的神经外科手术。
2.根据权利要求1所述的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，所述手术器械和实体模型上设置有数个传感器。
3.根据权利要求2所述的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，所述传感器包括力传感器和定位传感器，所述传感器连接有传感信息处理装置，所述传感信息处理装置包括显示装置，所述传感信息处理装置将信息处理并展示在显示装置上，所述传感信息处理装置与佩戴式虚拟成像眼镜连接。
4.根据权利要求3所述的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，所述手术器械包括手持端和非手持端，所述定位传感器安装在非手持端和实体模型需要手术的位置周围以及实体模型的轮廓，所述力传感器安装在手持端和实体模型需要手术的位置周围。
5.根据权利要求1所述的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，所述步骤S1中获取脊柱组织以及脊髓组织的3D虚拟模型的具体过程包括:将脊柱组织的CT图像的血管结构和椎骨结构与脊柱组织的MRI图像的血管结构和软组织结构一一对应并绑定，并利用迭代最近点算法对图像进一步的精确配准，最终得到脊柱组织的3D虚拟模型；将脊髓组织的MRI图像的神经结构与脊柱组织的3D虚拟模型的血管结构和椎骨结构进行配准得到脊柱组织以及脊髓组织的3D虚拟模型。
6.根据权利要求1所述的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，所述步骤S1中添加病变组织虚拟模型的具体过程包括:在脊柱组织以及脊髓组织的3D虚拟模型中选择一处添加病变组织虚拟模型，病变组织虚拟模型附着在血管结构、神经结构上或者包覆血管结构、神经结构。
7.根据权利要求1所述的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，所述步骤S2中选用硬度不同且与脊柱组织以及脊髓组织的弹性模量保持一致的3D打印材料制作实体模型。
8.根据权利要求1所述的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，所述病变组织和脊柱组织以及脊髓组织的弹性模量的获取方式为：选用病变组织和脊柱组织以及脊髓组织的替代物，采用弹性模量测试仪对替代物分别进行测定，得到对应的弹性模量。
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