一種虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)療設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]重度骨性錯(cuò)頜是一種嚴(yán)重的毀容性的頜面畸形，它主要累及上、下頜骨和咬合功能的問題，不僅造成了患者的咬合功能紊亂和外貌不美觀，也引起了一系列的心理問題。虛擬手術(shù)培訓(xùn)技術(shù)被證明是一種有效的外科手術(shù)培訓(xùn)方法，特別是針對(duì)手術(shù)經(jīng)驗(yàn)欠缺或者不足的年輕外科醫(yī)生效果尤其明顯。
[0003]目前虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)尚存在以下問題(I)缺乏一整套系統(tǒng)的虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)思路。(2)手術(shù)虛擬系統(tǒng)中模擬觸覺感知的力觸覺反饋系統(tǒng)扮演一個(gè)十分重要的角色，是虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)中不可或缺的部分。但在虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)的研究中，缺乏定量地采集新鮮頜骨切割力構(gòu)建逼真的觸覺反饋。(3)缺乏更為先進(jìn)、逼真、便捷的虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決目前傳統(tǒng)虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)及方法存在的上述問題，現(xiàn)提供了一種虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)建思路以及基于新鮮頜骨切割力的力觸覺反饋功能的實(shí)現(xiàn)方法，并提供相關(guān)設(shè)備搭建方法。具體技術(shù)方案如下:
[0005]虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)該包括:
[0006]基于新鮮頜骨切割力的力觸覺反饋功。通過真實(shí)切割新鮮頜骨，獲得多參數(shù)的切割力回歸方程，通過編程將回歸方程導(dǎo)入力觸覺反饋硬件中，最終實(shí)現(xiàn)力觸覺反饋功能；
[0007]手術(shù)聲音仿真。模擬手術(shù)截骨、鑿骨、磨骨等真實(shí)手術(shù)的各種聲音,例如可以采用錄制手術(shù)聲首_去噪_再現(xiàn)的方式來解決；
[0008]手術(shù)課件演練系統(tǒng)。利用3D攝像機(jī)錄制正頜手術(shù)的全部過程，在虛擬手術(shù)培訓(xùn)的過程中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、隨時(shí)的播放；
[0009]以及三維立體視覺系統(tǒng)。逼真的、實(shí)時(shí)的3D視覺效果是虛擬手術(shù)取得良好效果的保證。
[0010]新鮮頜骨切割力的采集裝置主要包括切削系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)等。頜骨切削系統(tǒng)，用于正頜手術(shù)頜骨切削操作；控制系統(tǒng)，對(duì)切削力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并實(shí)現(xiàn)切削力觸覺反饋；信號(hào)采集系統(tǒng)，用于采集所述切削裝置的切削力數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過模擬高逼真感的手術(shù)切割手感、組織切割聲音，三維立體視覺以及利用3D課件演練，構(gòu)建了一套虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)的研發(fā)思路，以達(dá)到降低手術(shù)培訓(xùn)的時(shí)間和費(fèi)用，縮短正頜外科醫(yī)生的培訓(xùn)時(shí)間，同時(shí)也減少培訓(xùn)用的活體動(dòng)物或尸體的數(shù)量的目的，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
[0011]優(yōu)選的，所述切削系統(tǒng)包括數(shù)控銑床，所述銑床上設(shè)置有精密測(cè)力儀，所述數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上安裝有定制的手術(shù)鋸或鉆的夾具，將所述機(jī)床手術(shù)鋸或鉆等的手柄夾持在所述夾具上。
[0012]優(yōu)選的，所述信號(hào)采集系統(tǒng)包括信號(hào)放大器和數(shù)據(jù)采集卡，所述信號(hào)放大器將接受到的力學(xué)信號(hào)放大后傳輸給數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡采集力數(shù)據(jù)信息。
[0013]優(yōu)選的，所述控制裝置為可以控制切削系統(tǒng)的工作平臺(tái)以及帶有專業(yè)力學(xué)信號(hào)分析軟件的主控計(jì)算機(jī)。
[0014]一種虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)，包括以下步驟:
[0015]測(cè)量正頜手術(shù)醫(yī)生的頜骨切削速度，得出臨床進(jìn)給速度范圍。采集人新鮮尸體頜骨的骨密度參數(shù)、彈性模量，采集新鮮人頜骨的(鉆切，鋸切)切削力，得出骨皮質(zhì)厚度、切削速度、切割頻率、鉆頭轉(zhuǎn)速、骨密度、彈性模量等的回歸方程。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述技術(shù)方案提供的虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)及方法具有以下優(yōu)點(diǎn):通過模擬高逼真感的手術(shù)切割手感、三維立體視覺、手術(shù)切割聲音，配合手術(shù)3D錄像課件演練，可以降低手術(shù)培訓(xùn)的時(shí)間和費(fèi)用；縮短正頜外科醫(yī)生的培訓(xùn)時(shí)間，同時(shí)也減少培訓(xùn)用的活體動(dòng)物的數(shù)量，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
【具體實(shí)施方式】
[0017]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0018]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)的構(gòu)建思路以及基于新鮮頜骨切割力的力觸覺反饋功能的實(shí)現(xiàn)方法，虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)該包括:基于新鮮頜骨切割力的力觸覺反饋功能，手術(shù)聲音仿真，手術(shù)課件演練系統(tǒng)，以及三維立體視覺系統(tǒng)。
[0019]帶有沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)與力反饋功能的顱頜面正頜手術(shù)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要由5個(gè)部分組成:高性能圖形工作站一主控計(jì)算機(jī):利用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算和處理。Display300三維顯示系統(tǒng):顯示三維立體的視覺模擬效果。0mega6.0力觸覺反饋設(shè)備:實(shí)現(xiàn)力觸覺反饋功能。研發(fā)虛擬手術(shù)培訓(xùn)軟件，實(shí)現(xiàn)各種手術(shù)操作。通過利用3D攝像機(jī)錄制正頜手術(shù)的詳細(xì)步驟，后期制作成3D虛擬手術(shù)培訓(xùn)課件。虛擬立體視覺的模擬:需要構(gòu)建逼真的顱頜面形態(tài)，包括色澤、光感度、形變等；掃描正頜手術(shù)中常用的手術(shù)器械，構(gòu)建逼真的器械靜態(tài)與工作狀態(tài)的外形和形變等信息；模擬術(shù)中不同組織牽拉和切割形變、頜骨斷裂等；模擬術(shù)中出血，生理鹽水沖洗鋸片，鉆頭等；模擬在牙槽骨中打入牽引釘，移動(dòng)擺放游離開的上、下頜骨骨塊，結(jié)扎咬合板，結(jié)扎咬合關(guān)系，模擬常用正頜手術(shù)的截骨路徑，牽拉位置等；模擬術(shù)后生理鹽水沖洗，下頜放置止血紗和負(fù)壓引流管，分層縫合，以及唇頦部加壓包扎等。
[0020]力觸覺反饋功能在虛擬手術(shù)模擬中具有十分重要的作用。測(cè)量三種不同水平(初學(xué)，經(jīng)驗(yàn)較豐富，經(jīng)驗(yàn)豐富)的正頜醫(yī)生的頜骨切削速度，得出臨床切割頜骨的進(jìn)給速度的范圍。用Micro CT采集新鮮人尸體骨的骨密度等參數(shù)，用納米壓痕的方法測(cè)量骨頭的彈性模量。搭建精密測(cè)力平臺(tái)，采用定量的、可重復(fù)機(jī)械方法采集新鮮人頜骨的切削力，得出骨皮質(zhì)厚度、切削速度、切割頻率、鉆頭轉(zhuǎn)速、骨密度、彈性模量等相關(guān)因素的回歸方程，后期處理方程的精度，導(dǎo)入力觸覺反饋設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)逼真的力觸覺模擬。新鮮頜骨切割力的采集裝置主要包括切削系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)等。切削系統(tǒng)主要組成如下:在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控萬能銑床工作臺(tái)上牢固粘上樹脂水槽，將特制的固定裝置用樹脂膠牢固粘貼在樹脂水槽上，用螺絲將Kistler精密測(cè)力儀安裝固定在大小兩塊樹脂夾板中(底層為小塊樹脂板，頂層為大塊樹脂板，夾板均為定制)，在大塊樹脂板上固定精密臺(tái)鉗。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上安裝定制的手術(shù)鋸或鉆的夾具，將手柄穩(wěn)定夾持在夾具上，通過調(diào)節(jié)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的方向可以實(shí)現(xiàn)多方向多角度的切削實(shí)驗(yàn)，Stryker手術(shù)通用鉆及鉆頭，Stryker手術(shù)鋸及鋸片，在手術(shù)鋸切的過程中用生理鹽水冷卻刀刃。信號(hào)采集系統(tǒng)主要包括:信號(hào)放大器，數(shù)據(jù)采集卡，切削力采集和分析系統(tǒng)(HRsoft DW軟件+Thinkpad T410S筆記本電腦系統(tǒng))。
[0021]本虛擬手術(shù)顱頜面外科培訓(xùn)系統(tǒng)配置有立體三維的正頜手術(shù)教學(xué)課件，使學(xué)員可以通過該系統(tǒng)觀看專業(yè)編錄的手術(shù)操作教學(xué)錄像，由在頜骨畸形整復(fù)方面具有很高造詣的高年資醫(yī)生實(shí)施手術(shù)操作?？捎盟髂?D高清數(shù)碼攝像機(jī)(HDR-TD30E，Sony，Japan)錄制，本課件的特點(diǎn)有:(I)高清、逼真的三維視覺效果，為受訓(xùn)醫(yī)師提供了“身臨其境”的真實(shí)手術(shù)感；(2)配有真實(shí)手術(shù)切割聲音，例如鑿骨聲音、截骨聲音、生理鹽水沖洗聲音等；(3)專業(yè)醫(yī)生詳細(xì)分解每一步手術(shù)的細(xì)節(jié)，尤其對(duì)初學(xué)者具有積極的引導(dǎo)作用。
[0022]該虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)的研制成功可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高質(zhì)量培訓(xùn)正頜外科醫(yī)生，緩解我國(guó)缺乏大量正頜醫(yī)生的現(xiàn)狀，為廣大骨性錯(cuò)頜患者(牙頜面畸形是一種常見的毀容性畸形，在人群中的發(fā)生比率為40%。)帶來福音；可以降低手術(shù)培訓(xùn)的時(shí)間、費(fèi)用；縮短正頜外科醫(yī)生的培訓(xùn)時(shí)間，較少培訓(xùn)用的活體動(dòng)物的犧牲量，避免了培訓(xùn)用尸體的數(shù)量；在經(jīng)濟(jì)方面，可以全國(guó)甚至全球范圍內(nèi)推廣，可以獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
[0023]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)，其特征在于，包括: 基于新鮮頜骨切割力的力觸覺反饋功能；手術(shù)聲音仿真，手術(shù)課件演練系統(tǒng)，三維立體視覺系統(tǒng)。 新鮮頜骨切割力的采集裝置主要包括切削系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)等。頜骨切削裝置，用于正頜手術(shù)頜骨切削操作；信號(hào)采集裝置，用于采集所述頜骨切削力的數(shù)據(jù)；控制裝置，控制整個(gè)頜骨切割平臺(tái)的正常運(yùn)作，并對(duì)切削力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新鮮頜骨切割力的采集裝置，其特征在于，所述切削裝置包括數(shù)控銑床，所述銑床上設(shè)置有精密測(cè)力儀，所述數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上安裝有定制的手術(shù)鋸或鉆的夾具，將所述手術(shù)鋸或鉆的手柄夾持在所述夾具上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新鮮頜骨切割力的采集裝置，其特征在于，所述信號(hào)采集裝置包括信號(hào)放大器和數(shù)據(jù)采集卡，所述數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)信息，并由所述信號(hào)放大器可以將力學(xué)信號(hào)放大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新鮮頜骨切割力的控制裝置，其特征在于，所述控制裝置為可以控制切削系統(tǒng)的工作平臺(tái)以及帶有專業(yè)軟件的主控計(jì)算機(jī)。
5.基于新鮮頜骨切割力的力觸覺反饋功能，其特征在于，包括以下內(nèi)容: 測(cè)量正頜手術(shù)醫(yī)生的頜骨切削速度，得出臨床進(jìn)給速度范圍。采集人新鮮尸體頜骨的骨密度參數(shù)、彈性模量，采集新鮮人頜骨的(鉆切，鋸切)切削力，得出骨皮質(zhì)厚度、切削速度、切割頻率、鉆頭轉(zhuǎn)速、骨密度、彈性模量等的回歸方程。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)，主要包括切削系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)等。頜骨切削系統(tǒng)，用于正頜手術(shù)頜骨切削操作；控制系統(tǒng)，對(duì)切削力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并實(shí)現(xiàn)切削力觸覺反饋；信號(hào)采集系統(tǒng)，用于采集所述切削裝置的切削力數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過模擬高逼真感的手術(shù)切割手感、組織切割聲音，三維立體視覺以及利用3D課件演練，構(gòu)建了一套虛擬正頜手術(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)的研發(fā)思路，以達(dá)到降低手術(shù)培訓(xùn)的時(shí)間和費(fèi)用，縮短正頜外科醫(yī)生的培訓(xùn)時(shí)間，同時(shí)也減少培訓(xùn)用的活體動(dòng)物或尸體的數(shù)量的目的，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
【IPC分類】G09B9-00, G09B23-28
【公開號(hào)】CN104658389
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310576347
【發(fā)明人】沈國(guó)芳, 于德棟, 王成燾, 王旭東, 陳曉軍, 林艷萍
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院
【公開日】2015年5月27日
【申請(qǐng)日】2013年11月18日