[发明专利]虚拟外科手术模拟方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及数字化医学以及计算机辅助外科领域，尤其涉及一种进行正颌虚拟手术的设计及模拟的虚拟外科手术模拟方法以及装置。

背景技术

传统的正颌手术设计及模拟是建立在头影测量分析或计算机颅面轮廓图二维平面基础上的，存在解剖结构重叠、信息丢失、二维数据不能完全反映三维结构、诊断及手术方案制定困难，术后效果难以预测的缺点，尤其对于面部不对称及复杂畸形的患者。而现在临床应用的三维手术设计及模拟软件，尽管实现了在三维重建模型上进行操作，但是仍在传统二维显示屏上显示，一定程度上限制了三维模拟显示的效果和意义。

在医学手术设计和仿真训练等方面，虚拟现实技术有着不可替代的和令人鼓舞的应用前景。很多学者尝试进行虚拟手术的研究，构建颅颌面三维模型和力传播模型（force propagation model, FPM）模拟骨及软组织的切割，剥离、定量移动，部分实现了图像及力的实时感知反馈，模拟了手术操作。但图像及力触觉反馈模型的构建是一个技术难题，也是妨碍医学虚拟技术发展的瓶颈。软件开发困难，计算量大，对硬件要求高，且模拟效果欠佳。

对虚拟外科手术而言，在CT数据重建出来的三维模型上进行切割、截骨、位移等手术操作是此类研究的难点。同时为了达到逼真、沉浸感强的虚拟手术效果，需要实现图像及力触觉的实时反馈。很多学者在此方面也进行了大量的研究，探讨图像及力触觉反馈模型的构建及算法实现。但由于技术要求高，运算复杂，缺乏一种理想的建模方法。现有技术方法主要存在开发软件复杂、运算速度较慢，实时性较差；图像变化难以模拟现实情况；力触觉感知反馈难以实现等问题。因此在虚拟技术三大核心要素（沉浸感、交互性、构想性）上效果较差。同时由于软硬件要求较高，也限制了虚拟手术设计的应用及推广。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种虚拟外科手术模拟方法及其装置，解决现有技术在虚拟技术三大核心要素：沉浸感、交互性、构想性上效果较差，同时对于软硬件要求较高的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种虚拟外科手术模拟方法，包括如下步骤：（1）对颅颌面进行CT平扫获取扫描数据；（2）利用计算机根据所述扫描数据进行骨组织的三维重建，并进行模拟截骨操作建立颅颌面骨的树状结构模型；（3）操作者通过佩戴光谱分离立体眼镜在虚拟现实互动操作平台上进行骨块三维空间任意视角观察，辅助操作者进行术前设计；（4）操作者通过佩戴数据手套在虚拟现实空间内对所述颅颌面骨的树状结构模型进行骨块三维空间旋转和移位模拟，并通过一与所述计算机相连的触觉反馈设备产生实时力反馈感知，辅助操作者进行外科手术模拟。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种虚拟外科手术模拟装置，包括CT扫描设备、计算机、光谱分离立体眼镜、数据手套、触觉反馈设备以及虚拟现实互动操作平台；所述CT扫描设备用于对颅颌面进行CT平扫获取扫描数据，并将所述扫描数据输入所述计算机；所述计算机用于根据所述扫描数据进行骨组织的三维重建，并进行模拟截骨操作建立颅颌面骨的树状结构模型；操作者通过佩戴光谱分离立体眼镜在虚拟现实互动操作平台上进行骨块三维空间任意视角观察，辅助操作者进行术前设计；操作者通过佩戴数据手套在虚拟现实空间内对所述颅颌面骨的树状结构模型进行骨块三维空间旋转和移位模拟，并通过与所述计算机相连的触觉反馈设备产生实时力反馈感知，辅助操作者进行外科手术模拟。

本发明的优点在于：利用预先截骨构造颅颌面骨“树状”结构模型，在虚拟现实平台上进行正颌手术设计、模拟及术后效果预测，实现了颅颌面模型的虚拟显示，可任意视角观察，沉浸感强。手术模拟过程中实现了实时的图像反馈及力、触觉感知，交互性强。从视、触觉感知上模拟了真实的手术操作，既可以行术前设计及手术规划，又能够手术模拟操作，满足了手术教学及操作训练的需要。成功实现了正颌手术模拟，且简单、高效、易于操作，便于临床推广及普及，具有较高的应用价值及意义。

附图说明

图1，本发明所述虚拟外科手术模拟方法的具体实施方式的流程示意图； 

图2，本发明一实施例的颅颌面骨组织的三维重建模型效果图；

图3，本发明一实施例的模拟截骨操作效果图；

图4A-4C，本发明一实施例的虚拟环境下行正颌手术截骨移位模拟效果图，其中图4A为上颌骨Le FortⅠ型截骨前移效果图，图4B为双侧下颌升支矢状劈开后退效果图，图4C为颏成形前移术效果图；

图5，本发明所述虚拟外科手术模拟装置结构示意图。

具体实施方式