[发明专利]内窥镜微创手术模拟训练方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及计算机仿真技术，特别涉及一种内窥镜微创手术模拟训练方法及其系统。

背景技术

内窥镜微创手术模拟训练系统主要通过3D平台系统与操作台交互，操作者通过监视器观察虚拟手术环境待手术的器官及周边组织的位置、形态、病灶等，在操作台上操作手术器械，实现手术的模拟训练。

专利号为200820030701.X的实用新型专利公开了一种“内窥镜微创手术仿真系统”，包括手术器械模拟器、空间定位传感器、数据采集及发送通信硬件、数据处理中心服务器，显示装置；空间定位传感器固定于手术器械模拟器上，手术器械模拟器的空间位移经空间定位传感器转换成电信号，经过数据采集及发送通信硬件处理后发送至数据处理中心服务器，数据处理中心服务器对数据处理后产生三维仿真图像送至显示装置显示。这种仿真系统克服了现有技术内窥镜手术训练不够真实，训练效果不理想的缺陷，具有训练逼真、功能多样、成本低廉等优点。但该专利技术仍存在以下的缺点与不足：

1、没有力反馈和虚拟触觉效果，不能真实反映手术操作过程，仿真度有待提高。

2、该系统处理的是三维仿真图像，而不是三维仿真图形，这样仿真效果不会很逼真，图像是一整块，图形由点线面构成，能够进行复杂的效果模拟。

3、不支持网络训练，不支持通过局域网或互联网进行远程训练。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可提供力反馈及虚拟触觉效果，仿真度高，模拟训练效果好的内窥镜微创手术模拟训练方法。

本发明的另一目的在于提供实现上述方法的内窥镜微创手术模拟训练系统。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种内窥镜微创手术模拟训练方法，包括下述步骤：

(一)内窥镜微创手术医学模型构建及编辑：根据人体组织器官解剖结构，利用各种医学素材构造医学模型，包括器官模型和器械模型，对医学模型进行编辑处理，以获得符合要求的模型。

(二)构建系统基础组件库：利用基础算法，如euler，euler_ordered，runge，runge_4thorder，quasi，quasi_ordered，bogus，FSA，FSAF、perlin noise等构建系统基础组件库。

(三)利用系统基础组件库构建核心算法，实现3D平台系统核心功能，如：几何模型和物理模型的构建、图形渲染、碰撞检测、力反馈、与操作台的数据通信、和数据库的数据交换等。

(四)构建医学模型描述语言：在核心算法的基础上通过脚本方式定义模型的几何和物理属性，实现程序和数据分离，便于系统维护和管理。

(五)调用医学模型，构建医学场景，模拟内窥镜微创手术各种动作，包括抓取、切割、缝合、打结、上钛夹、烟雾、流血等。

(六)利用操作台驱动虚拟环境中的内窥镜微创手术器械(包括夹钳、超声刀、电凝钩等)，模拟各种操作(包括张开、闭合、剪切、缝合、打结)，将5个以上自由度(DOF，每个自由度对应一台电机)的位置、状态和机械动作转换为电信号，通过数据接收和处理反馈信号驱动操作台的操作杆输出反馈力，实现力反馈和虚拟触觉，使模拟训练更加逼真。

步骤(一)中，所述医学模型是指几何模型，几何模型是内窥镜微创手术的基础，一般来说，几何模型的构建有两种途径：一种是自医学图像(MRI、CT等)或数字人(VHP)数据集等原始数据，然后通过专用工具(如开源工具VTK、ITK及基础上开发的3DSlicer，或者商业工具如MIMCS、3Ddoctor等)进行医学图像的处理，包括图像的预处理、分割、配准等，完成对象的几何建模，主要方法有面重建等，面重建主要是按照给定阈值从三维体数据中抽取等值面，然后利用传统的面绘制方法绘制此等值面。面重建方法主要有基于断层轮廓线的表面重建、基于体素的等值面重建、几何变形法；另一种就是通过3D建模软件如3D Max、Maya等来进行几何模型的构建，然后导出为三角网格或四角网格数据。几何模型的构建可采用两种方法之一，或者两种方法的综合并加以封装，与3D Max、Maya等无缝连接。

医学模型的编辑是将构建的几何模型转换为三角网格进行编辑，包括增加点、线、面，删除点、线、面，修改模型的形状等。按Mass-Spring、有限元等算法对场景进行重构和设置相关参数。