專利名稱：一種手術(shù)預(yù)測和訓(xùn)練的設(shè)備及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種教育或演示用具，尤其涉及的是一種手術(shù)預(yù)測和訓(xùn)練 的設(shè)備及其方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代外科手術(shù)技術(shù)正在向微創(chuàng)傷、小視野、低痛苦的微創(chuàng)手術(shù)方向發(fā) 展。手術(shù)中使用插入病人體內(nèi)的微小攝像機和切削工具，通過注視監(jiān)視器
完成手術(shù)過程。^:創(chuàng)手術(shù)有利于節(jié)約手術(shù)成本、減輕病人痛苦和縮短術(shù)后 恢復(fù)期，已在耳鼻喉、胃腸科、泌尿科、婦科以及神經(jīng)科中得到了廣泛的 應(yīng)用。
手術(shù)預(yù)測是在手術(shù)進行前制定的手術(shù)方案，傳統(tǒng)模式的手術(shù)預(yù)測依賴 操作者的主觀經(jīng)驗，例如在截骨術(shù)中對手術(shù)方式、截骨部位、骨段移動的 方位和距離、咬合關(guān)系的確定等都需先做一系列的預(yù)測分析及模擬手術(shù)， 才能確保手術(shù)的成功，這對操作者的要求很高，增加了手術(shù)過程的難度。 一旦微創(chuàng)手術(shù)失敗需要臨時轉(zhuǎn)為傳統(tǒng)手術(shù)，創(chuàng)傷更大，對病人造成嚴(yán)重的 傷害，以"求美"為目的的顱面部的整形美容手術(shù)尤為更甚；所以現(xiàn)有技 術(shù)中的手術(shù)預(yù)測的難度很高。
另外，在微創(chuàng)手術(shù)過程中，由于切口小，操作者不能看見他的手，需 要借助儀器，并根據(jù)自己的經(jīng)驗判斷來進行手術(shù)，這需要極高的手術(shù)技巧 和杰出的手眼配合技術(shù)。新手在正式手術(shù)前需要經(jīng)過大量的訓(xùn)練以掌握人 體的解剖結(jié)構(gòu)，以及培養(yǎng)應(yīng)付各種突發(fā)情況的能力。傳統(tǒng)的手術(shù)訓(xùn)練主要 以動物或尸體為實驗對象，但是，由于動物的解剖結(jié)構(gòu)和人體的解剖結(jié)構(gòu)的不一致性、以及尸體和活體的組織差異等因素會影響訓(xùn)練效果；而且， 由于動物和尸體的不可重復(fù)性，導(dǎo)致醫(yī)院的培訓(xùn)成本增加。 因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種手術(shù)預(yù)測和訓(xùn)練的設(shè)備及其方法，該手術(shù) 預(yù)測和訓(xùn)練設(shè)備及方法能夠直觀的進行手術(shù)預(yù)測，降低了手術(shù)預(yù)測的難度 和手術(shù)訓(xùn)練的成本。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種手術(shù)預(yù)測和訓(xùn)練設(shè)備，包括模型生成模塊，用于利用人體的外 形圖像、解剖結(jié)構(gòu)圖像和人體各組織的屬性數(shù)據(jù)，模擬各種組織的狀態(tài)； 與所述模型生成模塊連接的監(jiān)視裝置；其中，還包括用于接收手術(shù)指令 的操作裝置，該手術(shù)指令包括操作動作數(shù)據(jù)和手術(shù)部位信息；與所述操 作裝置連接的物理計算模塊，用于將所述操作動作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所述手術(shù)部 位相應(yīng)組織的形變數(shù)據(jù)；所述模型生成模塊內(nèi)還包括與所述物理計算模 塊連接的數(shù)據(jù)修正單元，該數(shù)據(jù)修正單元用于利用所述形變數(shù)據(jù)修正所述 手術(shù)部位相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。
所述的設(shè)備，其中，所述物理計算模塊包括與所述操作裝置連接的 動作轉(zhuǎn)換單元和位置提取單元，與該動作轉(zhuǎn)換單元和位置提取單元連接的 力轉(zhuǎn)換單元；動作轉(zhuǎn)換單元210用于將所述操作動作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為外力數(shù)據(jù)； 位置提取單元220用于提取所述手術(shù)指令中的手術(shù)部位信息；力轉(zhuǎn)換單元 230用于根據(jù)該外力數(shù)據(jù)計算手術(shù)部位相應(yīng)組織產(chǎn)生變形的形變數(shù)據(jù)。
所述的設(shè)備，其中，所述操作裝置包括適于操作者手部操作的操作 件、與該操作件連接的感知模塊，該感知模塊用于感知所述操作件的狀態(tài) 參數(shù)；以及與該感知模塊和所述物理計算模塊連接的處理模塊，該處理模 塊用于將所述操作件的狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為所述手術(shù)指令。所述的設(shè)備，其中，還包括與所述物理計算模塊連接的生物力學(xué)模 塊，用于根據(jù)所述手術(shù)部位相應(yīng)組織的形變數(shù)據(jù)生成手術(shù)部位的反作用力 數(shù)據(jù)；設(shè)置在所述操作件上并與該生物力學(xué)模塊連接的力學(xué)反饋模塊，用 于利用所述反作用力數(shù)據(jù)向所述操作件施加力。
所述的設(shè)備，其中，所述操作件包括與所述感知模塊連接的手套。 所述的設(shè)備，其中，所述操作件還包括與所述感知模塊連接的手術(shù) 器械。
所述的設(shè)備，其中，所述處理模塊包括用于存儲手術(shù)器械的信息的
工具單元；與該工具單元連接的交互選擇單元，用于在所述工具單元中選
擇手術(shù)器械信息。
所述的設(shè)備，其中，所述監(jiān)視裝置采用立體眼鏡。
本發(fā)明還提供一種手術(shù)預(yù)測和訓(xùn)練方法，包括以下步驟Sl、利用獲 取的人體的外形圖像、解剖結(jié)構(gòu)圖像和人體各組織的屬性數(shù)據(jù)，模擬各種 組織的狀態(tài)并可視化顯示；S2、接收來自操作者的手術(shù)指令，該手術(shù)指令 包括操作動作數(shù)據(jù)和手術(shù)部位信息；S3、將所述操作動作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所 述手術(shù)部位相應(yīng)組織的形變數(shù)據(jù)；S4、利用所述形變數(shù)據(jù)修正所述手術(shù)部 位相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。
所述的方法，其中，所述步驟S2包括以下步驟S21、獲取操作者手 部動作的狀態(tài)參數(shù)；S22、將所述狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為所述手術(shù)指令。
所述的方法，其中，還包括以下步驟S5、根據(jù)所述手術(shù)部位相應(yīng)組 織的形變數(shù)據(jù)生成手術(shù)部位的反作用力數(shù)據(jù)；S6、利用所述反作用力數(shù)據(jù) 向所述操作者手部施加力。
所述的方法，其中，所述步驟S3包括S31、將手術(shù)指令中包含的所 述操作動作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為外力數(shù)據(jù)；S32、提取所述手術(shù)指令中的手術(shù)部位信 息；S33、根據(jù)該外力數(shù)據(jù)計算手術(shù)部位相應(yīng)組織產(chǎn)生變形的形變數(shù)據(jù)。
本發(fā)明所提供的手術(shù)預(yù)測和訓(xùn)練設(shè)備及其方法，采用操作裝置接收關(guān)于手術(shù)預(yù)測或者手術(shù)訓(xùn)練的手術(shù)指令，物理計算;f莫塊將操作裝置接收的手 術(shù)指令轉(zhuǎn)換為相應(yīng)組織的受力及形變數(shù)據(jù)，模型生成模塊利用人體的外形 圖像、解剖結(jié)構(gòu)圖像和人體各組織的屬性數(shù)據(jù)，以及所述形變數(shù)據(jù)修正過 的屬性數(shù)據(jù)，模擬人體各種組織的狀態(tài)。從而，能夠直觀的進行手術(shù)預(yù)測， 降低了手術(shù)預(yù)測的難度和手術(shù)訓(xùn)練的成本。


圖l是本發(fā)明第一實施方式的原理框圖2是本發(fā)明三維幾何模型的效果圖3是本發(fā)明模擬人體額頭部變形前的效果圖4是本發(fā)明模擬人體額頭部變形后的效果圖5是本發(fā)明第二實施方式的操作裝置的原理框圖6是本發(fā)明第三實施方式的原理框圖7是本發(fā)明第四實施方式的操作裝置的原理框圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施方式
和附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的描述。 本發(fā)明的手術(shù)預(yù)測和訓(xùn)練設(shè)備應(yīng)用于由計算機單元提供的虛擬環(huán)境 中，操作者可以通過操作裝置向模型生成模塊進行操作，沉浸于虛擬手術(shù) 環(huán)境內(nèi)，完成手術(shù)的預(yù)測以及訓(xùn)練。通過仿真手術(shù)器械體驗和學(xué)習(xí)如何進 行各種手術(shù)。
作為本發(fā)明的第一種實施方式，如圖l所示，包括操作裝置IOO、物 理計算模塊200、模型生成模塊300、監(jiān)視裝置400。
操作裝置100用于接收手術(shù)指令，所述的手術(shù)指令包括手術(shù)測量數(shù) 據(jù)、手術(shù)路線數(shù)據(jù)、以及操作動作數(shù)據(jù)和手術(shù)部位信息。手術(shù)測量數(shù)據(jù)包 括標(biāo)識點的選取，目標(biāo)部位的面積和體積，解剖結(jié)構(gòu)上的縱向、矢狀、冠狀之間的直線、弧線距離等，例如顱面部手術(shù)中的手術(shù)測量的測量數(shù)據(jù)有 眉間點與頭后點之間的直線距離(頭最大長)，頭左右測點之間的距離(頭 最大寬)自頦下點至頭頂點之間的投影距離(全頭高)，以及沿中矢狀面自 鼻根點至枕外隆凸點之間的弧長(頭矢狀弧)。手術(shù)路線數(shù)據(jù)是根據(jù)手術(shù)方 案輸入的具體操作數(shù)據(jù)，動作數(shù)據(jù)主要通手術(shù)動作的位移和時間描述手術(shù) 動作，手術(shù)部位信息反映手術(shù)動作所針對的相應(yīng)組織的信息。
物理計算模塊200與所述操作裝置100連接，物理計算模塊200將所 述的手術(shù)指令中的操作動作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所述手術(shù)部位相應(yīng)組織的形變數(shù) 據(jù)。物理計算模塊200包括動作轉(zhuǎn)換單元210、位置提取單元220和力轉(zhuǎn) 換單元230，如圖2所示。
動作轉(zhuǎn)換單元210與操作裝置100連接，用于將手術(shù)指令中包含的操 作動作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為外力數(shù)據(jù)，根據(jù)位置參量和時間參量計算速度以及該速 度所對應(yīng)的作用力；
位置提取單元220與操作裝置100連接，用于提取所述手術(shù)指令中的 手術(shù)部位信息，手術(shù)部位信息也就是手術(shù)動作所針對的具體組織及其特性 (比如皮膚、脂肪、肌肉)；
力轉(zhuǎn)換單元230與動作轉(zhuǎn)換單元220和位置提取單元210連接，用于 根據(jù)該外力數(shù)據(jù)計算手術(shù)部位相應(yīng)組織產(chǎn)生變形的形變數(shù)據(jù)，所謂形變數(shù) 據(jù)包括譬如韌帶、肌肉、脂肪、血管和皮膚這些軟組織的單一或者聯(lián)合形 變的數(shù)據(jù)。
模型生成模塊300用于收集人體的外形圖像、解剖結(jié)構(gòu)圖像和人體各 組織的屬性數(shù)據(jù)，并利用上述信息模擬人體各種組織的狀態(tài)。如圖2所示， 模型生成模塊30Q內(nèi)設(shè)有屬性數(shù)據(jù)單元340,屬性數(shù)據(jù)單元340又包括屬 性數(shù)據(jù)獲取單元341、屬性數(shù)據(jù)修正單元342。屬性數(shù)據(jù)獲取單元341用于 獲取各種屬性數(shù)據(jù)，其與物理計算模塊200連接；屬性數(shù)據(jù)修正單元342 用于根據(jù)物理計算模塊200生成的形變數(shù)據(jù)修正所述手術(shù)部位相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。
所述屬性數(shù)據(jù)包括反映不同組織器官(比如皮膚、脂肪、肌肉)材
質(zhì)屬性和幾何分布形狀的數(shù)據(jù)；反映異常部位(比如腫瘤)的大小、形狀、 軟硬度、粗糙度、紋理的數(shù)據(jù)；反映手術(shù)部位的大小、形狀、軟硬度、粗 糙度、紋理的數(shù)據(jù)。
模型生成模塊300中還包括醫(yī)學(xué)成像設(shè)備310、圖像處理單元320、 三維幾何單元330和數(shù)據(jù)融合單元350。醫(yī)學(xué)成像設(shè)備310用于獲取患者外 形及解剖結(jié)構(gòu)的CT或MRI等模態(tài)的圖像序列，圖像處理單元320與醫(yī)學(xué)成 像設(shè)備310連接，用于對所獲取的圖像序列進行圖像增強、噪聲去除、剛 性配準(zhǔn)處理和分析；三維幾何單元330與圖像處理單元320連接，用于利 用處理和分析后的圖像序列構(gòu)建三維幾何模型；屬性數(shù)據(jù)單元340用于獲 取各種屬性數(shù)據(jù)，其與物理計算模塊200連接，并根據(jù)物理計算模塊200 生成的形變數(shù)據(jù)對相應(yīng)組織的屬性數(shù)據(jù)進行修正；數(shù)據(jù)融合單元350,用于 將三維幾何模型和屬性數(shù)據(jù)進行融合，以實現(xiàn)人體各組織狀態(tài)的模擬。
監(jiān)視裝置400與所述模型生成模塊300連接，用于向操作者顯示當(dāng)前 時刻模擬的人體及其各種組織的狀態(tài)。
以下以顱面部的整形美容為例，對本發(fā)明的設(shè)備做詳細(xì)說明
首先通過醫(yī)學(xué)成像設(shè)備310獲取患者的顱面部外形及解剖結(jié)構(gòu)的CT或 MRI圖像序列。
由圖像處理單元320采用圖像平滑、銳化和濾波方法對所獲取的圖像 序列進行圖像增強、噪聲去除，以達(dá)到改善圖像質(zhì)量的目的；同時利用骨 骼密度和連續(xù)性對圖像進行分割，依靠解剖知識對分割結(jié)果進行修正以獲 取感興趣的區(qū)域；由于在掃描過程中，患者很難保證一個固定姿勢不變， 這樣由于姿勢的不固定就會造成掃描同方向相鄰?fù)队伴g的不匹配，因此這 時需要對圖像序列進行配準(zhǔn)，使得兩幅圖像的對應(yīng)點達(dá)到空間位置和解剖 結(jié)構(gòu)上的一致，根據(jù)圖像的特點可以采用剛性配準(zhǔn)方法，對于二維圖像而言，需要尋求的就是剛性變換的三個參數(shù)x, y方向上的平移Dx和Z)少， 旋轉(zhuǎn)角度0。
在對圖像序列經(jīng)過處理和分析后，三維幾何單元330對圖像序列進行 三維幾何模型構(gòu)建，分別獲取顱面部的骨骼、軟骨及軟組織的三維幾何面 模型；再根據(jù)獲取模型的特點，采用簡化、光順、網(wǎng)格優(yōu)化、碎片去除、 細(xì)分曲面擬合、網(wǎng)格切割、體網(wǎng)格化對幾何模型進行后續(xù)處理；同時根據(jù) 每種具體的處理方法，可以采用串行或并行，比如基于GPU的技術(shù)分別處 理。采用去除體元切割算法或體元剖分切割算法對模型進行切割。下圖所 示為對一患者的頭部掃描得到圖像進行基于GPU三維重建得到的三維幾何 模型，參見圖2。
屬性數(shù)據(jù)單元340,用于獲取屬性數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)包括反映皮膚材質(zhì) 屬性和幾何分布形狀的數(shù)據(jù)、脂肪材質(zhì)屬性和幾何分布形狀的數(shù)據(jù)、肌肉 材質(zhì)屬性和幾何分布形狀的數(shù)據(jù)、以及其他組織器官材質(zhì)屬性和幾何分布 形狀的數(shù)據(jù)；反映每個部位的大小、形狀、軟硬度、粗糙度、紋理的數(shù)據(jù)； 部位又包括手術(shù)部位、異常部位(例如腫瘤)。
數(shù)據(jù)融合單元350將三維幾何模型和屬性數(shù)據(jù)進行融合，以模擬人體 及其各種組織的狀態(tài)。最后由監(jiān)視裝置400向操作者進行顯示。
操作裝置IOO接收手術(shù)指令，手術(shù)指令中包括操作動作數(shù)據(jù)、手術(shù) 部位信息信息。
將手術(shù)指令傳遞給物理計算模塊200,其中的動作轉(zhuǎn)換單元210用于將 手術(shù)指令中包含的操作動作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為外力數(shù)據(jù)，利用操作動作數(shù)據(jù)計算 手術(shù)動作的速度以及該速度所對應(yīng)的作用力。
位置提取單元220與操作裝置100連接，用于提取手術(shù)指令中的手術(shù) 部位、也就是手術(shù)動作所針對的具體組織(比如皮膚、脂肪、肌肉)。力轉(zhuǎn)換單元230與動作轉(zhuǎn)換單元220和位置提取單元210連接，用于 根據(jù)外力數(shù)據(jù)計算手術(shù)部位相應(yīng)組織產(chǎn)生變形的形變數(shù)據(jù)，利用位置提取 單元220提取的手術(shù)部位的大小、形狀、軟硬度、粗糙度、紋理的數(shù)據(jù)， 以及動作轉(zhuǎn)換單元220計算的外力數(shù)據(jù)建立材料力學(xué)建模和形變計算模型， 通過該材料力學(xué)建模和形變計算模型計算相應(yīng)組織在該外力作用下產(chǎn)生的 形變數(shù)據(jù)，所謂形變數(shù)據(jù)包括譬如韌帶、肌肉、脂肪、血管和皮膚這些軟 組織的單一或者聯(lián)合形變的數(shù)據(jù)?？梢圆捎脧椈少|(zhì)子模型、基于有限元的 線彈性或動態(tài)線彈性模型，或者采用這些模型的組合，比如采用動態(tài)線彈 性有限元模型模擬手術(shù)部位的軟組織變形，見公式1,<formula>formula see original document page 12</formula>
其中，M為物體的質(zhì)量矩陣，D為物體的阻尼矩陣，K為整體剛度矩陣， u是位移，t是時間，f是等效力向量。物體是指虛擬手術(shù)的模擬對象，比 如面部手術(shù)時，如果圖像采集的是整個頭部的話，同時前面幾何建模也是 整個頭部的話，這里的整體和物體就是指整個頭部對象，如果采集的局部 比如只有下頜部那就是單指下頜部，也可以稱之為手術(shù)模擬對象。根據(jù)模 擬的實時性要求這些模型的計算模型可建立GPU (Graphic Processing Unit, 圖形處理器)或CPU之上。
實時地將該形變數(shù)據(jù)發(fā)送至屬性數(shù)據(jù)單元340，屬性數(shù)據(jù)單元340利用 該形變數(shù)據(jù)修正所述屬性數(shù)據(jù)，從而使數(shù)據(jù)融合單元350所模擬的組織產(chǎn) 生相應(yīng)的改變，模擬人體額頭部變形的效果見圖3和圖4。本實施方式的手術(shù)預(yù)測和訓(xùn)練設(shè)備，通過物理計算模塊200根據(jù)手術(shù) 指令生成反映各軟組織的單一或者聯(lián)合形變數(shù)據(jù)，模型生成模塊300根據(jù) 該形變數(shù)據(jù)模擬各組織的狀態(tài)，通過監(jiān)視裝置400進行觀察。由此對手術(shù) 效果進行可視性預(yù)測， 一方面可以幫助醫(yī)生制定具體患者的手術(shù)方案、優(yōu) 化手術(shù)路徑、減少損傷及對組織的損害、提高病灶定位精度、預(yù)測手術(shù)結(jié)果；此外可以讓外科醫(yī)生針對一個真實的病人進行術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中模擬、 和術(shù)后效果預(yù)測，通過預(yù)演手術(shù)可以提前發(fā)現(xiàn)手術(shù)方案存在的問題并得到 及時修正，并可以得到根據(jù)專家經(jīng)驗建立的專家手術(shù)系統(tǒng)的指導(dǎo)，使得外 科手術(shù)更加安全、可靠和精確，這些對提高手術(shù)的成功率具有重要的意義;
患者亦可以動態(tài)觀測手術(shù)效果預(yù)測，直至達(dá)到患者滿意且手術(shù)方案可行。
作為本發(fā)明的第二實施方式，在第一實施方式的基礎(chǔ)上進行以下改進 如圖5所示，所述操作裝置100包括操作件110、與操作件110連接的感 知模塊120、以及與感知模塊120和物理計算模塊200連接的處理模塊130。
操作件110適于操作者手部操作，操作件110可采用包裹手部的手 套、手術(shù)器械、或者適于手持的手持件。手術(shù)器械包括鉗子、鑷子、夾子、 手術(shù)刀、手術(shù)剪、量尺。
感知模塊120與操作件110和物理計算模塊200連接，感知模塊120 通常采用傳感器，用于感知操作件110的狀態(tài)參數(shù)。所述狀態(tài)參數(shù)主要表 征操作件110移動時的位移矢量，以及操作件110本身的變形量；
處理模塊130與感知模塊120連接，用于將該所述狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為所 述的手術(shù)指令。
當(dāng)操作件110采用手套和手術(shù)器械時，傳感器可以設(shè)置在手術(shù)器械上， 也可以設(shè)置在手術(shù)器械和手套上。
當(dāng)操作件110只采用手套或者手持件時，傳感器則設(shè)置在手套或者手 持件上。
本實施方式中的操作裝置100包括操作件110以及與操作件110連接 的感知模塊120,實現(xiàn)了通過操作者的手部動作來實現(xiàn)手術(shù)指令的輸入，這 可以令操作者親手操作手術(shù)，參與手術(shù)過程，夠幫助新手學(xué)習(xí)、掌握人體 的解剖結(jié)構(gòu)，進行手術(shù)訓(xùn)練，并培養(yǎng)應(yīng)付各種突發(fā)情況的能力。
作為本發(fā)明的第三實施方式，在第二實施方式的基礎(chǔ)上增加了生物力 學(xué)模塊500和力學(xué)反饋模塊600，如圖6所示。生物力學(xué)模塊500與物理計算模塊200連接，利用力轉(zhuǎn)換單元230的 形變數(shù)據(jù)和位置提取單元220提取的手術(shù)部位相應(yīng)組織及其特性，生成手 術(shù)部位相應(yīng)組織的反作用力數(shù)據(jù)；可以采用彈簧質(zhì)子模型、基于有限元的 線彈性或動態(tài)線彈性模型，或者采用這些模型的組合，比如采用動態(tài)線彈 性有限元模型模擬手術(shù)部位的軟組織變形，實際應(yīng)用中，物理計算模塊200 和生物力學(xué)模塊500可集成在同一模塊。
力學(xué)反饋模塊600與生物力學(xué)模塊500連接，而且，力學(xué)反饋模塊600 設(shè)置在所述操作件110上，用于利用所述反作用力數(shù)據(jù)向操作件110施加 力。
當(dāng)操作件110采用手持件，力學(xué)反饋模塊600可采用與手持件相連接 的力臂進行力傳導(dǎo)。當(dāng)操作件IIO采用手套和手術(shù)器械，力學(xué)反饋模塊600 可以設(shè)置在手套上或者手術(shù)器械上，也可以在手套和手術(shù)器械都設(shè)置；力 學(xué)反饋模塊600可采用以電信號控制的震動單元，也可以采用微型氣嚢。
本實施方式中采用力學(xué)反饋模塊600,較之上一實施方式，能夠模擬手 術(shù)過程操作中的各組織的反作用力，增加了操作者的觸覺體驗，極大的提 升了操作者的沉浸感、真實感。此外，監(jiān)視裝置400可釆用監(jiān)視器、顯示 屏，優(yōu)選的采用立體眼鏡，因為立體眼鏡利用偏光原理，即，用兩只眼睛 視角的差距將同 一景象制造出兩個影像，讓兩只眼睛分別看到其中 一個的 影像，透過視網(wǎng)膜就使大腦產(chǎn)生景深的立體感。這可以進一步的提高操作 者的沉浸感、親臨感。
方式與第二實施方式和第三實施方式的區(qū)別在于如圖7所示，處理模塊 130中設(shè)有工具單元131和交互選擇單元132;工具單元131用于存儲手術(shù) 器械的信息，例如，每種手術(shù)器械的規(guī)格，材料，變形系數(shù)等；交互選擇 單元132與該工具模塊連接，用于在所述工具單元中選擇手術(shù)器械信息， 其外接硬件可以采用常用的鼠標(biāo)、觸摸屏等方式，操作者通過該交互選擇單元132完成手術(shù)器械信息的選擇。
本實施方式較之前兩種實施方式，操作者可在訓(xùn)練開始前，通過交互
選擇單元132的外接硬件選擇某一手術(shù)器械，處理模塊130將手術(shù)器械的 信息和獲得的操作者手部動作相融合轉(zhuǎn)換為手術(shù)指令，并將手術(shù)指令發(fā)送 至物理計算模塊200。本實施方式中的手術(shù)器械也采用虛擬模擬，摒棄了傳 統(tǒng)的手術(shù)器械，筒化了訓(xùn)練時的硬件工具，進一步降低了手術(shù)訓(xùn)練的成本。
本發(fā)明用于由計算機單元提供的虛擬環(huán)境中，該虛擬環(huán)境包括手術(shù)目 標(biāo)的三維幾何模型數(shù)學(xué)表示，其反映目標(biāo)的幾何、機械及生物力學(xué)特性， 以及虛擬儀器，由物理進給裝置控制，使得可影響、操作目標(biāo)模型。其方 法步驟包括建立顱面部的三維模型，基于重建模型的三維體征美學(xué)測量， 力反饋模型建立及分析，基于增強觸視覺信息的手術(shù)模擬和訓(xùn)練。改變了 僅憑主觀經(jīng)驗診斷分析和設(shè)計手術(shù)方案的傳統(tǒng)模式，提手術(shù)的安全性和預(yù) 測整形美容效果的準(zhǔn)確性，減少患者痛苦、提高手術(shù)質(zhì)量。
本發(fā)明還提供一種手術(shù)預(yù)測和訓(xùn)練方法，包括以下步驟
10、 利用獲取的人體的外形圖像、解剖結(jié)構(gòu)圖像和人體各組織的屬性 數(shù)據(jù)，模擬各種組織的狀態(tài)并可視化顯示；
11、 獲取患者外形及解剖結(jié)構(gòu)的CT或MRI等模態(tài)的圖像序列，以及人
體各組織的屬性數(shù)據(jù)，
12、 對所獲取的圖像序列進行圖像增強、噪聲去除、剛性配準(zhǔn)處理和 分析；
13、 利用處理和分析后的圖像序列構(gòu)建三維幾何模型；
14、 將三維幾何模型和屬性數(shù)據(jù)進行融合，以實現(xiàn)人體各組織狀態(tài)的 模擬；
15、 將模擬結(jié)果可視化顯示。
20、接收來自操作者的手術(shù)指令，該手術(shù)指令包括操作動作數(shù)據(jù)和 手術(shù)部位信息；所述的手術(shù)指令包括手術(shù)測量數(shù)據(jù)、手術(shù)路線數(shù)據(jù)、以及操作動作 數(shù)據(jù)和手術(shù)部位信息。手術(shù)測量數(shù)據(jù)包括標(biāo)識點的選取，目標(biāo)部位的面積 和體積，解剖結(jié)構(gòu)上的縱向、矢狀、冠狀之間的直線、弧線距離等，例如
顱面部手術(shù)中的手術(shù)測量的測量數(shù)據(jù)有眉間點與頭后點之間的直線距離 (頭最大長)，頭左右測點之間的距離(頭最大寬)自頦下點至頭頂點之間
的投影距離(全頭高)，以及沿中矢狀面自鼻根點至枕外隆凸點之間的弧長 (頭矢狀弧)。手術(shù)路線數(shù)據(jù)是根據(jù)手術(shù)方案輸入的具體操作數(shù)據(jù)，動作數(shù)
據(jù)主要通手術(shù)動作的位移和時間描述手術(shù)動作，手術(shù)部位信息反映手術(shù)動
作所針對的相應(yīng)組織的信息。
如果要進行手術(shù)訓(xùn)練，本步驟中的手術(shù)指令包括以下步驟
21、 獲取操作者手部動作的狀態(tài)參數(shù)；
22、 將所述狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為所述手術(shù)指令。
30、 將所述操作動作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所述手術(shù)部位相應(yīng)組織的形變數(shù)據(jù)；
31、 將手術(shù)指令中包含的所述操作動作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為外力數(shù)據(jù)；
32、 提取所述手術(shù)指令中的手術(shù)部位信息，包括的手術(shù)部位組織的形 狀、軟硬度、粗糙度、紋理的數(shù)據(jù)；
33、 根據(jù)該外力數(shù)據(jù)計算手術(shù)部位相應(yīng)組織產(chǎn)生變形的形變數(shù)據(jù)。 建立材料力學(xué)建模和形變計算模型，通過該材料力學(xué)建模和形變計算
模型計算相應(yīng)組織在該外力作用下產(chǎn)生的形變數(shù)據(jù)，所謂形變數(shù)據(jù)包括譬
如韌帶、肌肉、脂肪、血管和皮膚這些軟組織的單一或者聯(lián)合形變的數(shù)據(jù)。 可以采用彈簧質(zhì)子模型、基于有限元的線彈性或動態(tài)線彈性模型，或者釆 用這些模型的組合，比如采用動態(tài)線彈性有限元模型模擬手術(shù)部位的軟組 織變形，見公式l,
40、利用所述形變數(shù)據(jù)修正所述手術(shù)部位相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。 根據(jù)手術(shù)指令生成反映各軟組織的單一或者聯(lián)合形變數(shù)據(jù)，通過根據(jù) 該形變數(shù)據(jù)模擬各組織的狀態(tài)。由此對手術(shù)效果進行可視性預(yù)測， 一方面可以幫助醫(yī)生制定具體患者的手術(shù)方案、優(yōu)化手術(shù)路徑、減少損傷及對組
織的損害、提高病灶定位精度、預(yù)測手術(shù)結(jié)果；此外可以讓外科醫(yī)生針對 一個真實的病人進行術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中模擬、和術(shù)后效果預(yù)測，通過預(yù)演手 術(shù)可以提前發(fā)現(xiàn)手術(shù)方案存在的問題并得到及時修正，并可以得到根據(jù)專 家經(jīng)驗建立的專家手術(shù)系統(tǒng)的指導(dǎo)，使得外科手術(shù)更加安全、可靠和精確， 這些對提高手術(shù)的成功率具有重要的意義；患者亦可以動態(tài)觀測手術(shù)效果 預(yù)測，直至達(dá)到患者滿意且手術(shù)方案可行。
50、根據(jù)所述手術(shù)部位相應(yīng)組織的形變數(shù)據(jù)生成手術(shù)部位的反作用力 數(shù)據(jù)；
利用形變數(shù)據(jù)和手術(shù)部位信息，可以采用彈簧質(zhì)子模型、基于有限元 的線彈性或動態(tài)線彈性模型，或者采用這些模型的組合，比如采用動態(tài)線 彈性有限元模型模擬手術(shù)部位的軟組織變形，生成手術(shù)部位相應(yīng)組織的反 作用力數(shù)據(jù)。
60、利用所述反作用力數(shù)據(jù)向所述操作者手部施加力，可以在操作者 手持的物件上施加作用力。
置來接收關(guān)于手術(shù)預(yù)測或者手術(shù)訓(xùn)練的手術(shù)指令，物理計算模塊將操作裝 置接收的手術(shù)指令轉(zhuǎn)換為相應(yīng)組織的受力及形變數(shù)據(jù)，模型生成模塊利用 人體的外形圖像、解剖結(jié)構(gòu)圖像和人體各組織的屬性數(shù)據(jù)，以及所述形變 數(shù)據(jù)修正過的屬性數(shù)據(jù)，模擬人體各種組織的狀態(tài)，從而可以直觀的進行 手術(shù)預(yù)測，降低了手術(shù)預(yù)測的難度和手術(shù)訓(xùn)練的成本。
應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的應(yīng)用不限于上述的舉例，對本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應(yīng) 屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種手術(shù)預(yù)測和訓(xùn)練設(shè)備，包括模型生成模塊，用于利用人體的外形圖像、解剖結(jié)構(gòu)圖像和人體各組織的屬性數(shù)據(jù)，模擬各種組織的狀態(tài)；與所述模型生成模塊連接的監(jiān)視裝置；其特征在于，還包括用于接收手術(shù)指令的操作裝置，該手術(shù)指令包括操作動作數(shù)據(jù)和手術(shù)部位信息；與所述操作裝置連接的物理計算模塊，用于將所述操作動作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所述手術(shù)部位相應(yīng)組織的形變數(shù)據(jù)；所述模型生成模塊內(nèi)還包括與所述物理計算模塊連接的數(shù)據(jù)修正單元，該數(shù)據(jù)修正單元用于利用所述形變數(shù)據(jù)修正所述手術(shù)部位相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述物理計算模塊包括 與所述操作裝置連接的動作轉(zhuǎn)換單元和位置提取單元，與該動作轉(zhuǎn)換單元和位置提取單元連接的力轉(zhuǎn)換單元；動作轉(zhuǎn)換單元用于將所述操作動作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為外力數(shù)據(jù)； 位置提取單元用于提取所述手術(shù)指令中的手術(shù)部位信息； 力轉(zhuǎn)換單元用于根據(jù)該外力數(shù)據(jù)計算手術(shù)部位相應(yīng)組織產(chǎn)生變形的形變數(shù)據(jù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述操作裝置包括 適于操作者手部操作的操作件；與該操作件連接的感知模塊，該感知模塊用于感知所述操作件的狀態(tài) 參數(shù)；以及與該感知才莫塊和所述物理計算模塊連接的處理模塊，該處理模塊 用于將所述操作件的狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為所述手術(shù)指令。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，還包括 與所述物理計算模塊連接的生物力學(xué)模塊，用于根據(jù)所述手術(shù)部位相應(yīng)組織的形變數(shù)據(jù)生成手術(shù)部位的反作用力數(shù)據(jù)；設(shè)置在所述操作件上并與該生物力學(xué)模塊連接的力學(xué)反饋模塊，用于 利用所述反作用力數(shù)據(jù)向所述操作件施加力。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，所述操作件包括與所 述感知模塊連接的手套。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述操作件還包括與 所述感知模塊連接的手術(shù)器械。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述處理模塊包括用 于存儲手術(shù)器械的信息的工具單元；與該工具單元連接的交互選擇單元，用于在所述工具單元中選擇手術(shù)器械4言息。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述監(jiān)視裝置采用立體 眼鏡。
9、 一種手術(shù)預(yù)測和訓(xùn)練方法，包括以下步驟S1、 利用獲取的人體的外形圖像、解剖結(jié)構(gòu)圖像和人體各組織的屬性 數(shù)據(jù)，模擬各種組織的狀態(tài)并可視化顯示；S2、 接收來自操作者的手術(shù)指令，該手術(shù)指令包括操作動作數(shù)據(jù)和 手術(shù)部位信息；S3、 將所述操作動作凄t據(jù)轉(zhuǎn)換為所述手術(shù)部位相應(yīng)組織的形變數(shù)據(jù)；S4、 利用所述形變數(shù)據(jù)修正所述手術(shù)部位相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述步驟S2包括以 下步驟S21、 獲取操作者手部動作的狀態(tài)參數(shù)；S22、 將所述狀態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)化為所述手術(shù)指令。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟S5、 才艮據(jù)所述手術(shù)部位相應(yīng)組織的形變數(shù)據(jù)生成手術(shù)部位的反作用力 數(shù)據(jù)；S6、 利用所述反作用力數(shù)據(jù)向所述操作者手部施加力。
12、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述步驟S3包括S31、 將手術(shù)指令中包含的所述操作動作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為外力數(shù)椐；S32、 提取所述手術(shù)指令中的手術(shù)部位信息；S33、 根據(jù)該外力數(shù)據(jù)計算手術(shù)部位相應(yīng)組織產(chǎn)生變形的形變數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種手術(shù)預(yù)測和訓(xùn)練設(shè)備及其方法，其設(shè)備包括模型生成模塊，用于利用人體的外形圖像、解剖結(jié)構(gòu)圖像和人體各組織的屬性數(shù)據(jù)，模擬各種組織的狀態(tài)；與所述模型生成模塊連接的監(jiān)視裝置；其中，還包括用于接收手術(shù)指令的操作裝置，該手術(shù)指令包括操作動作數(shù)據(jù)和手術(shù)部位信息；與所述操作裝置連接的物理計算模塊，用于將所述操作動作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所述手術(shù)部位相應(yīng)組織的形變數(shù)據(jù)；所述模型生成模塊內(nèi)還包括與所述物理計算模塊連接的數(shù)據(jù)修正單元，該數(shù)據(jù)修正單元用于利用所述形變數(shù)據(jù)修正所述手術(shù)部位相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)。采用本發(fā)明的設(shè)備及其方法能夠直觀的進行手術(shù)預(yù)測，降低手術(shù)預(yù)測的難度和手術(shù)訓(xùn)練的成本。
文檔編號G09B19/00GK101320526SQ20081014160
公開日2008年12月10日 申請日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者吳劍煌, 輝 陳, 炘 馬 申請人:深圳先進技術(shù)研究院