JP2012155152A - Virtual neurosurgical operation simulator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三角形メッシュで構成されている仮想脳モデルに対して仮想吸引作業を行った場合における、吸引された部位のメッシュデータ処理に基づく仮想脳外科手術シミュレータに関する。 The present invention relates to a virtual brain surgery simulator based on mesh data processing of a sucked site when a virtual suction operation is performed on a virtual brain model composed of a triangular mesh.
最近、内視鏡やロボットを含んだ特殊な機器を使用して、組織になるべく最小のダメージを与えるように手術することで、手術創が小さい、回復が早い、痛みが少ないなど患者さんの負担を減らすことができる最小侵襲手術法(Minimally Invasive Surgery：MIS)が様々な身体部位で応用されている。最小侵襲手術法では、従来の手術法とは異なる特殊な機器が使われるため、ロボットの操作や機器の使い方に慣れる必要がある。そのため、バーチャルリアリティ技術を用いて仮想的に手術環境を構築して、様々な手術機器を用いた手術法の訓練が可能な仮想手術シミュレータが必要である。 Recently, by using special equipment including endoscopes and robots and performing surgery to minimize damage to tissues, the burden on patients such as small surgical wounds, quick recovery, and low pain Minimally Invasive Surgery (MIS) is applied to various body parts. In the minimally invasive surgery, special equipment different from conventional surgery is used, so it is necessary to get used to operating the robot and using the equipment. Therefore, there is a need for a virtual surgery simulator that can virtually construct a surgical environment using virtual reality technology and train surgical procedures using various surgical instruments.
仮想手術シミュレータはコンピュータ上で実行されるため、シミュレーションの対象になる仮想臓器モデルが必要である。仮想臓器モデルは医療画像(MRI, CTなど)をもとにして作成し、三角形メッシュで構成されるのが一般的である。その仮想臓器モデルを用いて、実際の手術作業によって発生する手術環境の変化(組織の切断、縫合、患部の形の変化など)を計算し、その変化を訓練者に呈示することで仮想手術訓練ができるのである。 Since the virtual surgery simulator is executed on a computer, a virtual organ model to be simulated is required. A virtual organ model is generally created based on medical images (MRI, CT, etc.) and is composed of a triangular mesh. Using this virtual organ model, virtual surgical training is performed by calculating changes in the surgical environment (cutting tissue, suturing, changes in the shape of the affected area, etc.) caused by actual surgical work and presenting the changes to the trainee Can do it.
訓練効果を高めるため、仮想手術シミュレータは実際の手術作業で起こる現状をなるべく忠実に再現するのが重要である。そのため、仮想臓器モデルと手術機器の衝突検出や仮想臓器モデルの変形計算などの技術が使われている。これらの技術は全て三角形メッシュモデルをもとにして動くため、仮想手術作業を行う間に仮想臓器モデルのメッシュ構造を維持するのが大事である。ここでメッシュ構造を維持するというのは、仮想手術作業によって変わる臓器の状態に合わせてメッシュを切断や再生成して、抜けている部分又は重なる三角形メッシュがないように管理することを意味する。 In order to enhance the training effect, it is important for the virtual surgery simulator to faithfully reproduce the current situation that occurs in actual surgical work. For this reason, techniques such as collision detection between a virtual organ model and a surgical device and deformation calculation of the virtual organ model are used. Since all of these techniques move based on a triangular mesh model, it is important to maintain the mesh structure of the virtual organ model while performing virtual surgery. In this case, maintaining the mesh structure means that the mesh is cut or regenerated according to the state of the organ that is changed by the virtual operation, and is managed so that there are no missing portions or overlapping triangular meshes.
これまで提案されてきた仮想手術シミュレータは、腹部や胸部の仮想手術環境を提供し、手術作業も患部の切断、縫合に集中されている。そういう作業の仮想モデリングでは、メスや針などが動いた軌跡に従ってその周辺のメッシュを連続的に調整するのである。しかし、脳外科手術では、吸引管を用いて腫瘍や脳組織を取り除くのが主な作業として行われている。吸引作業では組織の一部が吸引されてなくなるため、仮想的にモデリングする場合、三角形メッシュを連続的に調整する従来のモデリング法は適用できないのである。 Virtual surgery simulators that have been proposed so far provide a virtual surgical environment for the abdomen and chest, and surgical operations are concentrated on cutting and suturing the affected area. In virtual modeling of such work, the surrounding mesh is continuously adjusted according to the trajectory where the knife or needle moves. However, in brain surgery, the main task is to remove the tumor and brain tissue using a suction tube. Since a part of the tissue is not sucked in the suction operation, the conventional modeling method for continuously adjusting the triangular mesh cannot be applied when modeling virtually.
仮想脳外科手術シミュレータとして、仮想吸引作業を実装した仮想訓練シミュレータがあるが、 仮想脳モデルをアイソサーフェス(isosurface：等値面)でモデリングしたため(例えば、仮想脳モデルを半球形でモデリングしている)、提案された仮想吸引モデリング法はアイソサーフェスではない実際の脳の形状をしている仮想脳モデルには適用できない欠点がある(非特許文献１参照)。 There is a virtual training simulator that implements virtual suction as a virtual brain surgery simulator, but because the virtual brain model is modeled with an isosurface (for example, the virtual brain model is modeled as a hemisphere) The proposed virtual suction modeling method has a drawback that cannot be applied to a virtual brain model having an actual brain shape that is not an isosurface (see Non-Patent Document 1).
本発明は、以上に述べた従来の仮想手術シミュレータの問題を解決しようとするものであり、仮想吸引モデリング法を汎用化して、三角形メッシュで構成されている一般的な仮想脳モデルに対しても仮想吸引シミュレーションが可能なシミュレータを実現することを目的とする。 The present invention is intended to solve the problems of the conventional virtual surgery simulator described above, and is also applicable to general virtual brain models composed of triangular meshes by generalizing the virtual suction modeling method. The purpose is to realize a simulator capable of virtual suction simulation.
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、仮想モデルを構成する三角形メッシュを用いて病変部位を吸引する脳外科手術を仮想的にシミュレーションする仮想脳外科手術シミュレータであって、吸引された部位の境界を算出するために、球の方程式で、前記仮想モデルを構成する三角形メッシュを切断する切断手段と、吸引された部位の曲面を三角形メッシュ化するために必要な点の座標を計算する座標計算手段と、前記座標計算手段で計算した点を繋げて三角形メッシュを生成する生成手段と、を備えることを特徴とする。この特徴により、これまで実現されていなかった脳の吸引部位の仮想モデリングが可能となる。 In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 is a virtual brain surgery simulator that virtually simulates a brain surgery for sucking a lesion site using a triangular mesh constituting a virtual model. In order to calculate the boundary of the part, the cutting means for cutting the triangular mesh constituting the virtual model and the coordinates of the points necessary for making the curved surface of the sucked part into a triangular mesh are calculated using a spherical equation. Coordinate calculating means and generation means for generating a triangular mesh by connecting the points calculated by the coordinate calculating means. This feature enables virtual modeling of the aspiration region of the brain that has not been realized so far.
上記した脳外科手術の仮想的なシミュレーションは、請求項２に記載の発明のように、前記仮想吸引管の先端部が前記仮想脳モデルの表面に当たった状態で吸引すると、除去された仮想モデルの部位を球面の形でモデリングするものとすることができ、この場合、前記球の方程式は、前記仮想吸引管の先端部により吸引される部位の球形状を表すものとすることができる。具体的には、請求項３に記載の発明のように、前記球の方程式は、前記仮想吸引管の先端部の中心点が球の中心、前記仮想吸引管の先端部の半径が球の半径となるものとすることができる。 According to the virtual simulation of the above-described brain surgery, the virtual model of the removed virtual model is obtained when the tip of the virtual suction tube is in contact with the surface of the virtual brain model. The part can be modeled in a spherical shape, and in this case, the equation of the sphere can represent the spherical shape of the part sucked by the tip of the virtual suction tube. Specifically, as in the invention according to claim 3, the equation of the sphere is such that the center point of the tip of the virtual suction tube is the center of the sphere, and the radius of the tip of the virtual suction tube is the radius of the sphere. Can be.
また、上記した切断手段は、請求項４に記載の発明のように、前記球の方程式と前記仮想モデルを構成する三角形メッシュとが交差する交差点を用いて三角形メッシュを再生成し、除去された部位の境界線と境界点を得るものとすることができる。 Further, the cutting means described above is removed by regenerating the triangular mesh using the intersection where the equation of the sphere and the triangular mesh constituting the virtual model intersect, as in the invention described in claim 4. The boundary line and boundary point of the part can be obtained.
この場合、請求項５に記載の発明のように、前記再生成された三角形メッシュの中で、一番長い辺と境界に接している辺の長さの比が所定値以下となる細い三角形メッシュを除去する除去手段を備えて、境界で生成された細い三角形メッシュを除去するようにすれば、より細かい三角形メッシュの生成が防止され、脳の吸引部位の仮想モデリングをより容易に行うことができる。 In this case, as in the invention according to claim 5, among the regenerated triangle meshes, a thin triangle mesh whose ratio of the length of the longest side to the side in contact with the boundary is a predetermined value or less If a thin triangular mesh generated at the boundary is removed by removing the thin triangular mesh generated at the boundary, the generation of a finer triangular mesh can be prevented, and virtual modeling of the aspiration region of the brain can be performed more easily. .
本発明の仮想脳外科手術シミュレータにより、吸引ツールを用いた脳外科手術環境を仮想的に提供することが可能となり、安全な脳外科手術に向けた訓練が実施できるようになる。 According to the virtual brain surgery simulator of the present invention, it becomes possible to virtually provide a brain surgery environment using a suction tool, and training for safe brain surgery can be performed.
以下、本発明の実施の形態を図１〜図１４に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
一般的に仮想医療シミュレーションシステムは、図１に示すように、仮想手術環境を構築するコンピューター１と仮想環境で生成された力情報を訓練者に呈示する力呈示デバイス２で構成されている。訓練者が力呈示デバイス２を操作すると、その動作情報がコンピューター１に転送され、図２に示すように、コンピューター上で構成されている仮想手術環境の中で仮想手術装置を操作することが可能であり、仮想手術環境で発生した物理的な感覚(反力、衝突感など)が力呈示デバイス２で呈示されることで、訓練者が操作感覚を感じながら手術訓練を繰り返すことが可能である。なお、図２中の３は、仮想脳外科手術シミュレータで表示される仮想脳モデルを示している。 In general, as shown in FIG. 1, a virtual medical simulation system includes a computer 1 that constructs a virtual surgical environment and a force presentation device 2 that presents force information generated in the virtual environment to a trainee. When the trainee operates the force presentation device 2, the operation information is transferred to the computer 1, and as shown in FIG. 2, it is possible to operate the virtual operation apparatus in the virtual operation environment configured on the computer. The physical feeling (reaction force, collision feeling, etc.) generated in the virtual surgical environment is presented by the force presentation device 2 so that the trainer can repeat the surgical training while feeling the operational feeling. . Note that reference numeral 3 in FIG. 2 denotes a virtual brain model displayed by the virtual brain surgery simulator.
脳外科手術では吸引管で腫瘍を吸って除くのが主な作業であるため、仮想脳外科手術シミュレーションでは吸引作業によって除去された部位を仮想的にモデリングするのが必要である。図３（ａ）に示すように、力呈示デバイス２を動かすと仮想吸引管が動き、仮想吸引管の先端部４が仮想脳モデル３の表面に当たった状態で吸引すると、図３（ｂ）に示すように、除去された仮想脳モデルの部位５を球面の形でモデリングする。 In brain surgery, the main task is to remove the tumor by sucking it with a suction tube. Therefore, in virtual brain surgery simulation, it is necessary to virtually model the site removed by the suction operation. As shown in FIG. 3A, when the force-presenting device 2 is moved, the virtual suction tube moves, and when the tip 4 of the virtual suction tube is in contact with the surface of the virtual brain model 3, suction is performed. As shown, the removed virtual brain model portion 5 is modeled in a spherical shape.
仮想吸引作業で除去された部位の仮想モデリング法は、図４に示すように、四つのステップで構成される。第１ステップでは、吸引された部位の境界を生成するため、数式１の球の方程式を用いて仮想脳モデルを切断する。球の方程式と仮想脳モデルの三角形メッシュとの交差テストを行い、交差された場合は交差点を用いて周辺の三角形メッシュを再生成する。そうすることで、図５に示すように、除去された部位の境界を構成する境界線６と境界点７が得られる。球の方程式は、仮想吸引管の先端部４により吸引される部位の球形状を表すものであり、数式１の球の方程式では、
As shown in FIG. 4, the virtual modeling method of the part removed by the virtual suction operation is composed of four steps. In the first step, the virtual brain model is cut using the sphere equation of Equation 1 in order to generate the boundary of the aspirated site. The intersection test between the sphere equation and the triangle mesh of the virtual brain model is performed, and if it intersects, the surrounding triangle mesh is regenerated using the intersection. By doing so, the boundary line 6 and the boundary point 7 which comprise the boundary of the removed site | part are obtained as shown in FIG. The equation of the sphere represents the spherical shape of the portion sucked by the tip portion 4 of the virtual suction tube.
は仮想吸引管の先端部４が仮想脳モデル３の表面に当たった時の仮想吸引管の先端部４の中心位置を、
Is the center position of the tip 4 of the virtual suction tube when the tip 4 of the virtual suction tube hits the surface of the virtual brain model 3,
は仮想吸引管の先端部４の半径を示している。 Indicates the radius of the tip 4 of the virtual suction tube.
第１ステップで三角形メッシュを再生成した場合、図６に示すように、切断される三角形メッシュの位置によって境界に細い三角形メッシュ８が生成される場合がある。細い三角形メッシュ８は、境界に接している三角形メッシュで、図７に示すように、一番長い辺９と境界に接している辺６の長さの比が所定値（例えば0.1）以下になる三角形メッシュをいい、仮想吸引作業を繰り返すことでさらに細かいメッシュが生成される。このように細かいメッシュが生成されると、脳の吸引部位における表面変形計算の安定性が損なわれる。そこで、第２ステップでは、切断によって境界部分で生成された細い三角形メッシュ８を除去する。例えば、図８に示すように、細い三角形メッシュ８と細い三角形メッシュ８を構成する三つの辺(１０、１５，１６)と一つの点（１１）をコンピューター１のメモリから削除し、隣の三角形メッシュ(１３，１４)の共通辺１７を生成して連結関係を更新することで、細い三角形メッシュ８の削除が可能である。このように境界で生成された細い三角形メッシュを除去することで、脳の吸引部位における表面変形計算の安定性を向上させることができる。 When the triangular mesh is regenerated in the first step, a thin triangular mesh 8 may be generated at the boundary depending on the position of the triangular mesh to be cut as shown in FIG. The thin triangular mesh 8 is a triangular mesh in contact with the boundary. As shown in FIG. 7, the ratio of the length of the longest side 9 to the side 6 in contact with the boundary is a predetermined value (for example, 0.1) or less. This is a triangular mesh, and a finer mesh is generated by repeating the virtual suction operation. When such a fine mesh is generated, the stability of the surface deformation calculation at the suction site of the brain is impaired. Therefore, in the second step, the thin triangular mesh 8 generated at the boundary portion by cutting is removed. For example, as shown in FIG. 8, the thin triangle mesh 8 and the three sides (10, 15, 16) and one point (11) constituting the thin triangle mesh 8 are deleted from the memory of the computer 1, and the adjacent triangle The thin triangle mesh 8 can be deleted by generating the common side 17 of the mesh (13, 14) and updating the connection relation. By removing the thin triangular mesh generated at the boundary in this way, it is possible to improve the stability of the surface deformation calculation at the aspiration region of the brain.
第３ステップでは、除去された仮想脳モデルの部位５の曲面のメッシュを生成するために必要な点の座標を計算する。図９に示すのは極座標系の一般的な定義であって、球面１８のある位置
In the third step, the coordinates of the points necessary for generating a curved mesh of the removed part 5 of the virtual brain model are calculated. FIG. 9 shows a general definition of the polar coordinate system, where the spherical surface 18 is located.
の座標は数式２により計算が可能である。θを0oから180 oまで、φを0oから360oまでの区間で変更しながら座標を計算すると、図１０のように球面上の点１９が取れる。球の方程式で切断された仮想脳モデルの表面２０と球面上の点１９の位置関係を比較し、球の方程式で切断された仮想脳モデルの表面２０の下にある点だけを集めると、図１１に示すように切断された表面の下にある点２１の分類が可能である。図１２は切断された表面の下にある点２１を三次元的に表示した概念図である。 The coordinates of can be calculated by Equation 2. When the coordinates are calculated while changing θ from 0 o to 180 o and φ from 0 o to 360 o , a point 19 on the spherical surface can be obtained as shown in FIG. When the positional relationship between the surface 20 of the virtual brain model cut by the sphere equation and the point 19 on the spherical surface is compared, and only the points below the surface 20 of the virtual brain model cut by the sphere equation are collected, Classification of the points 21 under the cut surface is possible as shown in FIG. FIG. 12 is a conceptual diagram in which the points 21 below the cut surface are three-dimensionally displayed.
第４ステップでは、第１ステップで得た境界線６や境界点７と、第３ステップで計算した切断された表面の下にある点２１を繋げて三角形メッシュを構成する。図１３（a）に示すように、境界線６の中で一番短い境界線を検索してその線を構成する二つの点と、第３ステップで計算した切断された表面の下にある点２１の中で任意の点を一つ選んで平面方程式を計算する。その平面の裏に他の点が存在するかを確認し、平面の裏に他の点があった場合、その点と二つの境界点で新しい平面を構成する。平面の裏に点がない時までこのプロセスを繰り返し、図１３(ｂ)のようにその三つの点で最初の三角形メッシュ２２を構成する。生成された三角形メッシュの各辺に対して同様なプロセスを繰り返すことで、図１３(ｃ)のように吸引部位の三角形メッシュ２３の生成が可能である。図１４は、以上の手順によって生成された吸引された部位の仮想モデリングを示している。 In the fourth step, the boundary line 6 or boundary point 7 obtained in the first step and the point 21 under the cut surface calculated in the third step are connected to form a triangular mesh. As shown in FIG. 13 (a), the shortest boundary line among the boundary lines 6 is searched, the two points constituting the line, and the points below the cut surface calculated in the third step A plane equation is calculated by selecting one arbitrary point in 21. Check if there is another point on the back of the plane. If there is another point on the back of the plane, a new plane is constructed with that point and two boundary points. This process is repeated until there is no point on the back of the plane, and the first triangular mesh 22 is constituted by the three points as shown in FIG. By repeating the same process for each side of the generated triangle mesh, it is possible to generate the triangle mesh 23 of the suction site as shown in FIG. FIG. 14 shows virtual modeling of the aspirated site generated by the above procedure.
なお、図４に示す仮想モデリング法は、コンピューター１によるソフトウェアによって実現されるものであり、第１〜第４ステップはそれぞれの機能を実現する手段として把握される。すなわち、第１ステップは、吸引された部位の境界を算出するために、球の方程式で仮想脳モデルを構成する三角形メッシュを切断する切断手段を構成し、第２ステップは、境界で生成された細い三角形メッシュを除去する除去手段を構成し、第３ステップは、吸引された部位の曲面を三角形メッシュ化するために必要な点の座標を計算する座標計算手段を構成し、第４ステップは、座標計算手段で計算した点を繋げて三角形メッシュを生成する生成手段を構成するものとして把握される。 The virtual modeling method shown in FIG. 4 is realized by software by the computer 1, and the first to fourth steps are grasped as means for realizing each function. That is, the first step constitutes a cutting means for cutting the triangular mesh constituting the virtual brain model by the sphere equation in order to calculate the boundary of the aspirated part, and the second step is generated at the boundary. The removal means for removing the thin triangular mesh is configured, and the third step is a coordinate calculation means for calculating the coordinates of the points necessary for making the curved surface of the sucked portion into a triangular mesh, and the fourth step is: It is grasped as constituting a generating means for connecting the points calculated by the coordinate calculating means to generate a triangular mesh.
１ コンピューターシステム
２ 力呈示デバイス
３ 仮想脳外科手術シミュレータで表示される仮想脳モデル
４ 仮想吸引管の先端部
５ 除去された仮想脳モデルの部位
６ 境界線
７ 境界点
８ 細い三角形メッシュ
９ 細い三角形メッシュの中で一番長い辺
１０ 境界に接している細い三角形メッシュの辺
１１ 境界に接している細い三角形メッシュの辺を構成する始点
１２ 境界に接している細い三角形メッシュの辺を構成する終点
１３ 細い三角形メッシュの右側に接している三角形メッシュ
１４ 細い三角形メッシュの左側に接している三角形メッシュ
１５ 細い三角形メッシュと右側に接している三角形メッシュの共通辺
１６ 細い三角形メッシュと左側に接している三角形メッシュの共通辺
１７ 細い三角形メッシュの削除後の左右三角形メッシュの共通辺
１８ 極座標系での球
１９ 球面上の点
２０ 球の方程式で切断された仮想脳モデルの表面
２１ 切断された表面の下にある点
２２ 最初の三角形メッシュ
２３ 吸引部位の三角形メッシュ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Computer system 2 Force presentation device 3 Virtual brain model displayed by virtual brain surgery simulator 4 Tip part of virtual suction tube 5 Part of removed virtual brain model 6 Boundary line 7 Boundary point 8 Thin triangular mesh 9 Thin triangular mesh The longest side 10 The side of a thin triangular mesh that touches the boundary 11 The start point that forms the side of the thin triangular mesh that touches the boundary 12 The end point that forms the side of the thin triangular mesh that touches the boundary 13 The thin triangle Triangular mesh in contact with the right side of the mesh 14 Triangular mesh in contact with the left side of the thin triangular mesh 15 Common side of the thin triangular mesh and the triangular mesh in contact with the right side 16 Common of the thin triangular mesh and the triangular mesh in contact with the left side Edge 17 Left and right triangle menu after deletion of thin triangle mesh Common sides 18 triangular surfaces 21 cut 22 first triangular mesh 23 suction site point below the surface of the phantom brain model cut with equations point 20 balls on the sphere 19 sphere of a polar coordinate system mesh Gerhard
Claims (5)
吸引された部位の境界を算出するために、球の方程式で、前記仮想モデルを構成する三角形メッシュを切断する切断手段と、
吸引された部位の曲面を三角形メッシュ化するために必要な点の座標を計算する座標計算手段と、
前記座標計算手段で計算した点を繋げて三角形メッシュを生成する生成手段と、を備えることを特徴とする仮想脳外科手術シミュレータ。 A virtual brain surgery simulator that virtually simulates a brain surgery for sucking a lesion site using a triangular mesh constituting a virtual model,
In order to calculate the boundary of the aspirated part, a cutting means for cutting the triangular mesh constituting the virtual model with a sphere equation;
Coordinate calculation means for calculating the coordinates of points necessary for making the curved surface of the sucked part into a triangular mesh;
A virtual brain surgery simulator comprising: a generation unit that connects the points calculated by the coordinate calculation unit to generate a triangular mesh.
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