CN1685381A - 用于产生一个虚拟解剖学环境的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及产生虚拟解剖学环境以在最低限度入侵性手术模拟中使用的方法。包括步骤：合并一个主虚拟解剖学环境(1)；从一个预定义的库中选择一个本地解剖学环境(2)；将选择的本地解剖学环境(2)包括进所述主虚拟解剖学环境(1)以形成一个总体虚拟解剖学环境(4)。本发明还涉及一个设备，产生一个虚拟解剖学环境以在最低限度入侵性手术模拟中使用，以及包括这种设备的一个基于计算机的最低限度入侵性手术模拟系统。

Description

用于产生一个虚拟解剖学环境的设备和方法

技术领域

本发明涉及产生一个虚拟解剖学环境以在最低限度入侵性手术模拟中使用的方法。本发明进一步涉及这样一个基于计算机的最低限度入侵性手术模拟系统。

背景技术

现代外科手术中，最低限度入侵技术已经用于越来越多的应用中。在这个相对较新的领域中技术的发展进展很快，导致对外科医生大量的训练需要。一种反映更有效的训练方法是使用计算机模拟。用于提供一个可信模拟的已知技术非常复杂，并且关于计算机以处理器和内存形式的实用性来说非常昂贵。此外，结果不能足够提供一个现实的模拟环境。解剖学在现实中展示的视觉特性是不同的并且在模拟中的生成是非常耗时的。

借助于现代计算机工程，在由一个计算机程序生成的虚拟环境中可能提供一个现实的训练环境。在计算机程序中，提供了模拟关注的物体的一个三维模型。提供给用户一个它的投影，它应该相当于在现实情况下由照相机拍摄的照片信息。腹腔镜检查领域中，一个照相机用来将照片信息从患者提供给外科医生。显示屏显示出照相机拍摄例如腹腔内壁的照片。外科医生使用的所有仪器和解剖学都通过照相机和显示屏复制下来。外科医生使用显示屏上的信息来控制和操作他或她的仪器并完成需要进行的外壳手术程序。既然最低限度入侵技术通过一个显示屏提供给外科医生信息，三维现实降低为显示屏上的二维。因此照片缺乏现实存在的深度信息。外科医生不得不通过研究照明条件，颜色等来弥补这种信息的丢失。

这意味着所有的视觉信息例如仪器和解剖学都是通过计算机绘制。然而，外科手术领域内的许多复杂过程如果不是不可能的话，在计算机中完整地模拟是非常昂贵的。例如，在现实生活中外科医生使用的大部分图片，例如灯光效果和解剖学结构，例如呼吸和脉搏跳动因素，它们存在于现实情况中，与计算机中真实地再造是不同的。此外，由于人类身上出现的不同生物解剖学变化，当一个外科医生要完成一项手术时，很难完整地模拟他面临的情况。已经做出一些努力来生成提供某些成分的随机变化的模拟系统，例如动脉厚度，目的是提供更真实的模拟环境。然而，这种随机变化对一名外科医生完成最低限度入侵手术时，完整地准备预期需要什么是不够的。此外，在模拟过程中对这种类型进行越多的改变，在模拟过程中的就需要越多的计算机容量，使得这样的系统非常昂贵。因此，为了提供一个用于最低限度入侵手术模拟的真实、低成本的系统，希望提供一个更真实的模拟结果同时节省计算机容量的方法。

发明内容

因此本发明的一个目的是为了产生一个真实的模拟环境，提供了一个用于最低限度入侵手术模拟系统的方法和系统，它能完全或部分解决上述的问题。

这些和其它目的通过一个方法至少部分地获得，该方法用于生成一个用于最低限度入侵手术模拟的虚拟解剖学环境，包括步骤：合并一个主虚拟解剖学环境，从一个预定义的库中选择一个本地解剖学环境，该库包括一套两个或更多模拟的本地解剖学环境，以及将选择的本地解剖学环境包括进所述主虚拟解剖学环境，以形成一个总体虚拟解剖学环境。这使得一个在其中可以完成模拟的总体虚拟解剖学环境通过分立的建模成分而建起。通过使用存储在库中的不同构造成分，可以生成不同的总体虚拟解剖学环境，而不用从开始对整个环境建模。这还使制造者能够有一个总体控制，即有什么变化存储在库中以及因此可以产生什么总体虚拟解剖学环境，以相对于环境分立的成分的随机变化。

优选地，安排所述该套本地解剖学环境，以代表用于存在于活生命体中苛刻的内部区域的一套解剖学变化。由此，实现了一个获得一个模拟系统的直接方法，它覆盖了解剖学变化，例如围绕一个器官的动脉和导管的不同配置，或者不同的器官形状(等等)。

此外，从一个预定义的库中选择一个本地解剖学环境，该库包括一套两个或更多模拟的本地解剖学环境，适合于进一步包括从库中随机地选择一个本地解剖学环境的步骤。因此，该模拟系统的一个用户事先并不知道将会给他什么样的解剖学环境。这对用户提供了一个真实的情况，并给用户机会来学习识别不同解剖学环境之间差异，这些环境乍看起来是类似的。优选地，为了进一步提供一个真实的模拟环境，随机选择某一个本地解剖学环境的概率基本上相应于活生命体中该本地解剖学环境的出现程度。

根据本发明的一个优选实施例，安排主虚拟解剖学环境来建模人体的一个内腔，例如一个腹腔或一个胸腔，而安排该套本地解剖学环境，以模拟围绕排列在所述内腔的一个器官的不同动脉，静脉和导管的不同排列，例如一个胆囊或心脏。

根据另一个实施例，本发明方法进一步包括通过用户选择的方法，从所述库中选择某一个所述本地解剖学环境，并将它包括进所述主虚拟环境。这使得用户能够在一个选择的环境中实践手术，例如在这个环境中改进他或她的技艺，或者为显示类似环境的病人的真正手术做准备。

上面的和其它目的通过一个设备至少部分地获得，该设备用于生成一个用于最低限度入侵手术模拟的虚拟解剖学环境，包括一个建模设备，用于提供一个主虚拟解剖学环境，一个包括一套两个或更多预定义的本地解剖学环境的库，以及将库中的一个本地解剖学环境合并到主虚拟解剖学环境的方法，一起形成一个总体虚拟解剖学环境。这种设备使得一个总体虚拟解剖学环境能够由分立的建模成分构建，在其中可以完成模拟。通过是用存储在库中不同的构造成分，可以生成不同的虚拟解剖学环境，而不用从开始对整个环境建模。这还使制造者能够有一个总体控制，即有什么变化存储在库中以及因此可以产生什么总体虚拟解剖学环境，以相对于环境分立的成分的随机变化。这从教育的观点来看是非常有优势的。

优选地，该设备进一步包括一个选择设备，用于从所述库中选择一个所述本地解剖学环境，以包括进所述主解剖学环境，以及适合地，该选择设备安排为从所述库中随机地选择一个所述本地解剖学环境，以包括进所述主解剖学环境。因此，该模拟系统的一个用户并不知道将会给他什么样的解剖学环境。这对用户提供了一个真实的情况，并给用户机会来学习识别不同解剖学环境之间差异，这些环境乍看起来是类似的。优选地，该选择设备安排为以这种方式随机选择一个所述本地解剖学环境，使得选择一个本地解剖学环境的概率基本上相应于活生命体中该本地解剖学环境的出现程度，进一步改善了模拟手术的真实感。

根据本发明的一个优选实施例，安排主虚拟解剖学环境来建模人体的一个内腔，例如一个腹腔或一个胸腔，而安排该套本地解剖学环境，以模拟围绕排列在所述内腔的一个器官的不同动脉，静脉和导管的不同排列，例如一个胆囊或心脏。

另外，本发明的上述和其它目的通过一个基于计算机的最低限度的入侵性手术模拟系统来获得，包括一个如上描述的用于生成一个主虚拟解剖学环境的设备。

附图说明

通过优选的实施例并且参考附图，本发明将在下文更详细地描述。

图1是可以实现本发明的一个模拟系统基本构成示意图。

图2是根据本发明一个实施例的一个模拟系统框图。

图3是描述如图1或2所示的发明设备框图，该设备用于产生一个在最低限度的入侵性手术模拟中使用的虚拟解剖学环境。

具体实施方式

在下文中，将详细地参考示于附图中的本发明的一个实施例。

如上陈述的，本发明涉及基于计算机的最低限度的入侵性手术模拟系统领域，以及引入本发明的这样一个系统的基本硬件组成示意图公开于图1。这样一个系统基本上包括一个处理单元10，用于模拟一个最低限度入侵性手术情况，一个手术工具输入设备11，用于输入关于一个手术工具的移动等的信息，由使用者操纵输入到处理单元10，以及一个显示设备12用于显示模拟手术程序，目的是对使用者显现出模拟手术情况。处理单元可以例如包括个人电脑，优选装备含有3D电路的图形卡。此外，手术工具输入设备11可以或者不必装备有一个系统，用于触觉反馈给系统的使用者。

如图1所公开的，处理单元10在下文将参考图2更详细地描述。处理单元基本上包括一个总体虚拟解剖学环境模型器14，用于提供一个总体虚拟解剖学环境2的模型给一个交互模拟设备13。交互模拟设备13还安排为接收手术工具输入设备11关于移动等的信息。基于从总体虚拟解剖学环境模型器14和手术工具输入设备11的信息，手术程序由所述交互模拟设备13模拟，以及结果的模拟输出到显示设备12，由此显示于使用者。

本发明集中于总体虚拟解剖学环境4的生成，由所述总体虚拟解剖学环境模型器14生成。根据本发明，处理单元10进一步包括一个主虚拟解剖学环境模型器15，用于提供一个主虚拟解剖学环境1的模型，以及一个本地解剖学环境库3，用于提供一个本地虚拟解剖学环境2的模型。主虚拟解剖学环境模型器15和本地解剖学环境库3都连接到总体虚拟解剖学环境模型器14。

主虚拟解剖学环境模型器15安排为建模和提供一个主虚拟解剖学环境1的模型给总体虚拟解剖学环境模型器14，而本地解剖学环境库3安排为存储两个或更多建模的本地解剖学环境2，并提供它们中的一个给总体虚拟解剖学环境模型器14。主虚拟解剖学环境1和本地解剖学环境2一起可以形成一个在其中可以完成模拟的总体解剖学环境。

这里使用的术语“本地虚拟解剖学环境”应该理解为一个活生命体的本地内部区的一个3D模型，这对要模拟的手术程序过程中是很关键的。例如，本地虚拟解剖学环境可以包括一个器官6，例如胆囊或心脏以及围绕器官6的静脉，动脉和导管7。然而，本发明可以用于模拟实际上任何内部区，因此本发明并不局限于上面的实例。

这里使用的术语“本地虚拟解剖学环境库”应该理解为含有上述两个或更多本地虚拟解剖学环境的一个库，所述环境形成一套环境。该套环境可以例如包括多个环境，每个在选择的本地内部区造型一个生物变化。作为一个实例，存在于人体中，围绕胆囊的静脉，动脉和导管的不同配置的环境模型可以存储在库中，如图3中公开的。在本实例中，为了覆盖所有人约99％程度的生物种类，这套环境应该包含约16种不同的本地虚拟解剖学环境。本发明可以使用的另一个实例是围绕心脏的静脉，动脉和导管的不同配置。

这里使用的术语“主虚拟解剖学环境”应该理解为一个活生命体的本地内部区的一个3D模型，基本上围绕上述的本地内部区。这样一个内部区的实例是腹腔(例如与一个胆囊)或胸腔(例如与心脏)。包括在本地虚拟解剖学环境中的成分在主虚拟解剖学环境中排除掉。例如，如果本地虚拟解剖学环境包含胆囊和周围动脉及导管，主虚拟解剖学环境不包括那些成分，只是仅仅连接动脉和导管等。作为选择，本地虚拟解剖学环境可以不仅包括围绕胆囊的动脉和导管，而胆囊本身可以包括在主虚拟解剖学环境中。

该设备进一步包括一个选择设备9，用于从存储于本地解剖学环境库3中选择一个本地解剖学环境2。这种选择可以以各种不同方式实现。

根据一个第一实施例，可以提供一个输入设备(未示出)给选择设备9，使得使用者积极地选择什么样的本地解剖学环境应该选择并包括到主虚拟解剖学环境中。这可以例如通过一个计算机输入界面使用一个鼠标等实现。上述使得能够在一个使用者选择的环境中训练，用于改进使用者关于某个生物学变化的技能，如由选择的本地解剖学环境2所定义的。由此，使用者(外科医生)可以在一个病人的手术程序上训练，在完成手术前展示某个生物学变化。此外，使用者可以特别在他们更不熟悉的本地解剖学环境中的程序上训练，由此全面改进手术训练的质量。

根据第二实施例，选择设备9可以安排作为一个随机选择设备，用于随机选择一个存储于本地解剖学环境库3中的本地解剖学环境2。既然大部分情况下外科医生在手术程序开始前不知道一个病人展示的生物学变化，因此提供了一个真实的训练情况。为了完成一个正确的程序，那么能够迅速知道不同的生物学变化是很重要的。因此，根据本实例的选择设备易于这样的训练。为了进一步增强手术训练的真实感，选择设备9可以安排为随机选择一个本地解剖学环境2。如上所述，由此随机选择使得某一个本地解剖学环境的概率基本上相应于人体中该本地解剖学环境的出现程度。这可以例如通过给库3的每个本地解剖学环境2提供一个权重，以相应于生物学变化的出现，这个变化由被讨论的本地解剖学环境2所表示。

如上陈述，主虚拟解剖学环境1的3D模型和选择的本地解剖学环境2的3D模型传送到总体虚拟解剖学环境模型器14，其中本地解剖学环境2已经位于主虚拟解剖学环境1中它希望的位置上了，它们一起形成一个总体虚拟解剖学环境

由总体虚拟解剖学环境模型器14造型的总体虚拟解剖学环境，因此传送到交互模拟设备13，其中总体解剖学环境用于完成模拟，以及与手术工具输入的移动与动作的相互作用。因此，模拟结果传送到并由显示设备12显示。

上述本发明实施例的许多修改，改进和变化对本领域的技术人员来说是很明显的，并且这种修改，改进和变化意味着形成了本公开的一部分，还意味着属于本发明如附加的权利要求定义的范围和精神。因此，上面优选实施例的描述仅仅是通过实例给出，并且本发明仅局限于下面考虑了任何等价的权利要求所的陈述。

例如，应该注意，将本地虚拟解剖学环境2合并到主虚拟解剖学环境中可以作为选择直接以交互模拟设备13进行，因此排除了总体虚拟解剖学环境模型器14作为一个分立的成分。

Claims (12)

1.一种用于生成用于最低限度入侵手术模拟的虚拟解剖学环境的方法，包括步骤：

-合并一个主虚拟解剖学环境(1)，

-从一个预定的库(3)中选择一个本地解剖学环境(2)，该库(3)包括一组两个或更多模拟的本地解剖学环境(2)，

-将选择的本地解剖学环境(2)包括进所述主虚拟解剖学环境(1)中，以形成一个总体虚拟解剖学环境(4)。

2.根据权利要求1的方法，其中所述该套本地解剖学环境(2)被安排为代表存在于活生命体中关键的内部区域的一套解剖学变化。

3.根据权利要求1或2的方法，其中所述从一个包括两个或更多模拟的本地解剖学环境(2)的预定的库(3)中选择一个本地解剖学环境(2)的步骤，进一步包括从库(2)中随机地选择一个本地解剖学环境(2)。

4.根据权利要求3的方法，其中随机选择某一个本地解剖学环境(2)的概率基本上相应于活生命体中该本地解剖学环境的出现程度。

5.根据前面任何权利要求的方法，其中主虚拟解剖学环境(1)被安排为建模人体的一个内腔(5)，例如一个腹腔或一个胸腔，而该套本地解剖学环境被安排为，模拟围绕布置在所述内腔(5)的一个器官(6)的不同动脉，静脉和导管(7)的不同布置，所述器官(6)例如是一个胆囊或心脏。

6.根据权利要求1-2或5中任何一个的方法，进一步包括步骤：

-借助于用户的选择，从所述库(3)中选择某一个所述本地解剖学环境(2)，并将它包括进所述主虚拟环境(1)。

7.一种用于生成一个用于最低限度入侵手术模拟的虚拟解剖学环境的设备，包括：

-一个建模设备(15)，用于提供一个主虚拟解剖学环境(1)，

-一个库(3)，包括一组两个或更多预定的本地解剖学环境(2)，

-将库(3)中的一个本地解剖学环境(2)合并到主虚拟解剖学环境(1)，一起形成一个总体虚拟解剖学环境(4)的工具。

8.根据权利要求7的设备，进一步包括：

-一个选择设备(9)，用于从所述库(3)中选择一个所述本地解剖学环境(2)，以包括进所述主解剖学环境。

9.根据权利要求8的设备，其中：

-选择设备(9)安排为从所述库(3)中随机地选择一个所述本地解剖学环境(2)，以包括进所述主解剖学环境。

10.根据权利要求9的设备，其中：

-选择设备(9)安排为以这种方式随机选择一个所述本地解剖学环境(2)，使得选择某一个本地解剖学环境(2)的概率基本上相应于人体中该本地解剖学环境的出现程度。

11.根据权利要求7-10中任何一个的设备，安排主虚拟解剖学环境(1)来建模人体的一个内腔(5)，例如一个腹腔或一个胸腔，而安排该组本地解剖学环境(2)，以模拟围绕布置在所述内腔(5)的一个器官(6)的不同动脉、静脉和导管(7)的不同布置，所述器官(6)例如一个胆囊或心脏。

12.一种基于计算机的最低限度的入侵性手术模拟系统，包括如权利要求7-12中任何一个描述的用于生成虚拟解剖学环境的设备。