脊柱內(nèi)鏡虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種脊柱內(nèi)鏡虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]脊柱內(nèi)鏡手術(shù)是一種較新的手術(shù)方式，其發(fā)生、發(fā)展不過近二十年時(shí)間，但卻成為了目前脊柱外科微創(chuàng)手術(shù)中最熱門的手術(shù)方式，與腹腔鏡、關(guān)節(jié)鏡等其他內(nèi)鏡不同的是，脊柱內(nèi)鏡手術(shù)是一個(gè)人的舞臺(tái)，只需要一人操作，手術(shù)區(qū)域狹小并且手術(shù)部位相對(duì)危險(xiǎn)，真實(shí)設(shè)備很少讓初學(xué)者進(jìn)行練習(xí)操作，市面上又無相關(guān)供培訓(xùn)及教學(xué)使用的產(chǎn)品，目前供初學(xué)者練習(xí)的模式也僅局限在手術(shù)觀摩、動(dòng)物椎骨和尸體訓(xùn)練等方法，臨床醫(yī)生大多甚至是直接通過在真實(shí)患者身上練習(xí)來提高手術(shù)技能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003 ]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種脊柱內(nèi)鏡虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:脊柱內(nèi)鏡虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征是，該系統(tǒng)包括:
仿真模型，內(nèi)部具有仿真組織及仿真器官，驅(qū)動(dòng)顯示單元中虛擬仿真模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致；
手術(shù)器械，用于在上述仿真模型內(nèi)部進(jìn)行操作，驅(qū)動(dòng)顯示單元中虛擬手術(shù)器械與其運(yùn)動(dòng)一致；
傳感系統(tǒng)，與上述手術(shù)器械相連，進(jìn)行空間位置檢測(cè)，用于定位、捕捉并采集手術(shù)器械在上述仿真模型內(nèi)的運(yùn)動(dòng)信息；
服務(wù)器，進(jìn)一步包括:
三維幾何模型重建單元，與上述仿真模型、手術(shù)器械、傳感系統(tǒng)相連，用于將上述仿真模型內(nèi)的仿真組織、仿真器官和手術(shù)器械進(jìn)行三維幾何模型重建，并建立三維空間關(guān)系；
圖像渲染單元，利用三維圖形渲染引擎，與上述三維幾何模型重建單元相連，將三維幾何模型重建單元獲取的三維空間關(guān)系進(jìn)行三維可視化，繪制在顯示單元上；
數(shù)據(jù)接收處理單元，接收上述傳感系統(tǒng)采集的手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)信息，反饋到上述三維幾何模型重建單元，實(shí)現(xiàn)模擬力反饋及虛擬觸覺；
顯示單元。
[0005]所述的仿真模型至少包含一個(gè)穿刺部位，每個(gè)穿刺部位設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)穿刺靶點(diǎn)，用于判斷用戶操作時(shí)穿刺點(diǎn)的位置是否正確。
[0006]所述的仿真模型至少包含一個(gè)孔鏡通道。
[0007]所述的手術(shù)器械包括穿刺針、內(nèi)窺鏡、環(huán)鉆、磨鉆、punch鉗、髓核鉗、雙極電凝、模擬控制X光照射的腳踏板，并且所述手術(shù)器械上設(shè)置傳感裝置，用于確定所述手術(shù)器械在模型內(nèi)的三維空間關(guān)系及與所述仿真組織、仿真器官進(jìn)行碰撞的力。
[0008]本發(fā)明的有益效果是，軟硬件相結(jié)合，準(zhǔn)確模擬手術(shù)器械、仿真組織、仿真器官的三維空間關(guān)系，檢測(cè)相互的力信息，并進(jìn)行分析反饋，根據(jù)臨床真實(shí)手術(shù)場(chǎng)景，模擬出逼真的鏡下操作環(huán)境，讓操作者身臨其境。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明脊柱內(nèi)鏡虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]如圖1所示，脊柱內(nèi)鏡虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)包括仿真模型、手術(shù)器械、傳感系統(tǒng)和服務(wù)器，服務(wù)器又包含三維幾何模型重建單元、圖像渲染單元、數(shù)據(jù)接收處理單元、顯示單元。
[0011]仿真模型為L(zhǎng)l-Sl的半身軀干模型，模型完全1:1按照標(biāo)準(zhǔn)真人設(shè)計(jì)，模型具有良好的穩(wěn)定度，可以自由擺放成不一樣的角度，模型邊緣距椎體正中線距離范圍要求:L3-4旁開1cm以上，L4-5旁開12cm以上，L5-S1旁開14cm以上，仿真模型設(shè)置一穿刺部位，該部位的外皮可更換，并且在該穿刺部位設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)穿刺靶點(diǎn)，仿真模型的L3-4水平兩側(cè)旁開8-1Ocm處、L4-5水平兩側(cè)旁開10-12cm處、L5-S1水平兩側(cè)旁開12-14cm處分別設(shè)置孔鏡通道；
根據(jù)臨床真實(shí)手術(shù)情景，服務(wù)器通過三維幾何模型重建單元構(gòu)建一個(gè)虛擬仿真模型，具有完整的人體解剖結(jié)構(gòu)，通過圖像渲染單元，將三維立體示意圖展示在顯示單元進(jìn)行呈現(xiàn)；
手術(shù)器械上設(shè)置傳感系統(tǒng)，能夠隨時(shí)檢測(cè)器械在仿真模型中的走行以及對(duì)仿真模型內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行的手術(shù)操作，包括抓取、切割等，傳感系統(tǒng)能夠檢測(cè)手術(shù)器械與不同組織碰撞時(shí)產(chǎn)生的不同的力，同時(shí)傳遞給數(shù)據(jù)接受處理單元進(jìn)行分析，并將結(jié)果反饋到傳感系統(tǒng)做出相應(yīng)的力學(xué)反饋，實(shí)現(xiàn)逼真的手術(shù)操作環(huán)境的模擬。
[0012]以下對(duì)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行舉例說明:
1:穿刺定位
穿刺針上設(shè)置傳感器，當(dāng)操作者在模型上進(jìn)行穿刺操作時(shí)，穿刺皮膚時(shí)能夠感受突破感，能夠感受到不同組織的阻力以及骨抵抗，穿刺點(diǎn)的位置與標(biāo)準(zhǔn)穿刺靶點(diǎn)的位置對(duì)比，能夠判斷穿刺位置是否正確，并進(jìn)行記錄，通過預(yù)設(shè)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)該操作進(jìn)行評(píng)價(jià)。
[0013]2:鏡下解剖學(xué)習(xí)
內(nèi)窺鏡鏡頭走行時(shí)可清楚觀察神經(jīng)根、纖維環(huán)、髓核、硬膜囊、后縱韌帶、黃韌帶等三維豐旲型;
設(shè)置“基本解剖”、“完整解剖”兩種環(huán)境；“基本解剖”剔除碎肩、結(jié)締組織等復(fù)雜情況，只保留基本骨骼、韌帶；“完整解剖”是仿真環(huán)境重現(xiàn)，可清晰呈現(xiàn)鏡下漂浮的顆粒和絨毛樣組織、流出的血液、燒灼產(chǎn)生的氣泡等環(huán)境形態(tài)，難度加大；
系統(tǒng)設(shè)定任務(wù)，依次列出相關(guān)解剖名詞，需要訓(xùn)練者依次找出，當(dāng)鏡頭進(jìn)入該解剖位置，停頓3s以上，即為找到目標(biāo)，在解剖名詞列表上自動(dòng)對(duì)相應(yīng)的名詞打鉤；
系統(tǒng)在同一屏幕上提供可自由開關(guān)的外部視圖訓(xùn)練向?qū)到y(tǒng)，為使用者提供標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)步驟并以顏色變化的形式顯示所需探查或治療的目標(biāo)區(qū)域位置；
提供3D視圖模型，并能跟隨操作器械的走行實(shí)時(shí)定位，供操作者觀察操作部位與周圍組織的三維空間關(guān)系，三維立體模型為真實(shí)病例的CT，MRI數(shù)據(jù)導(dǎo)入重建形成，該功能可隨時(shí)開啟和關(guān)閉；
內(nèi)窺鏡鏡頭在人體外時(shí)視頻畫面對(duì)應(yīng)的為虛擬手術(shù)室環(huán)境場(chǎng)景，鏡頭進(jìn)入人體后須根據(jù)走行模型的不同位置模擬不同的鏡下畫面，這些鏡下畫面應(yīng)與真實(shí)畫面相似；
訓(xùn)練完畢會(huì)給出評(píng)價(jià)表，評(píng)價(jià)內(nèi)容包括:操作時(shí)間，是否尋找到任務(wù)結(jié)構(gòu)，是否過度碰觸了某些組織，遺漏的結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)等；
可進(jìn)行歷史操作記錄回顧，可記錄內(nèi)容包括:操作日期，操作賬號(hào)，操作結(jié)果評(píng)價(jià)表，視頻記錄。
[0014]3:鏡下手術(shù)治療
不同的手術(shù)器械在使用時(shí)產(chǎn)生不一樣的模擬場(chǎng)景以及配合相應(yīng)的手術(shù)器械產(chǎn)生不同的聲音;環(huán)鉆使用時(shí)，能夠產(chǎn)生于臨床器械工作時(shí)一致的震感；
術(shù)中咬碎的組織可跟隨手術(shù)器械的夾取、拉出體外的動(dòng)作而消失；
在模擬操作時(shí)出現(xiàn)誤傷血管、硬膜囊及神經(jīng)等并發(fā)癥的表現(xiàn)，可模擬出血以及模擬病人發(fā)出疼痛的喊叫聲等；
虛擬鏡頭下可觀察到不同組織因手術(shù)操作的損傷而發(fā)生形態(tài)上變化的前后對(duì)比；
鏡下可觀察到重要解剖結(jié)構(gòu)及動(dòng)作形態(tài)，例如:“流動(dòng)的髓核”、“破裂的纖維環(huán)”、“搏動(dòng)的硬膜囊”等；
可清晰呈現(xiàn)鏡下漂浮的顆粒和絨毛樣組織、流出的血液、燒灼產(chǎn)生的氣泡等環(huán)境形態(tài)；可對(duì)灌洗液體流量進(jìn)行控制。當(dāng)灌注不足時(shí)，鏡頭視野能見度會(huì)逐漸降低。也可手動(dòng)加速能見度的變化速度；
器械走行時(shí)，可真實(shí)感受到不同組織和器械碰撞時(shí)產(chǎn)生的不同的力，并且在咬除髓核或是纖維環(huán)修復(fù)等手術(shù)操作時(shí)可真實(shí)的感受到髓核及纖維環(huán)的韌度；
訓(xùn)練完畢會(huì)給出評(píng)價(jià)表，評(píng)價(jià)內(nèi)容包括:操作時(shí)間，是否完成了目標(biāo)物的清理，是否造成了重要結(jié)構(gòu)的副損傷(損傷結(jié)構(gòu)名字，損傷次數(shù)，損傷前后圖像對(duì)比)，練習(xí)者和病人交流的次數(shù)等。
[0015]以上所述，僅是本發(fā)明較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明做任何形式上的限制，凡依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改，等同變化與修飾，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.脊柱內(nèi)鏡虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征是，該系統(tǒng)包括 仿真模型，內(nèi)部具有仿真組織及仿真器官，驅(qū)動(dòng)顯示單元中虛擬仿真模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致； 手術(shù)器械，用于在上述仿真模型內(nèi)部進(jìn)行操作，驅(qū)動(dòng)顯示單元中虛擬手術(shù)器械與其運(yùn)動(dòng)一致； 傳感系統(tǒng)，與上述手術(shù)器械相連，進(jìn)行空間位置檢測(cè)，用于定位、捕捉并采集手術(shù)器械在上述仿真模型內(nèi)的運(yùn)動(dòng)信息； 服務(wù)器，進(jìn)一步包括: 三維幾何模型重建單元，與上述仿真模型、手術(shù)器械、傳感系統(tǒng)相連，用于將上述仿真模型內(nèi)的仿真組織、仿真器官和手術(shù)器械進(jìn)行三維幾何模型重建，并建立三維空間關(guān)系；圖像渲染單元，利用三維圖形渲染引擎，與上述三維幾何模型重建單元相連，將三維幾何模型重建單元獲取的三維空間關(guān)系進(jìn)行三維可視化，繪制在顯示單元上； 數(shù)據(jù)接收處理單元，接收上述傳感系統(tǒng)采集的手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)信息，反饋到上述三維幾何模型重建單元，實(shí)現(xiàn)模擬力反饋及虛擬觸覺； 顯示單元。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脊柱內(nèi)鏡虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征是所述的仿真模型至少包含一個(gè)穿刺部位，每個(gè)穿刺部位設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)穿刺靶點(diǎn)，用于判斷用戶操作時(shí)穿刺點(diǎn)的位置是否正確。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脊柱內(nèi)鏡虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征是所述的仿真模型至少包含一個(gè)孔鏡通道。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脊柱內(nèi)鏡虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，其特征是所述的手術(shù)器械包括穿刺針、內(nèi)窺鏡、環(huán)鉆、磨鉆、punch鉗、髓核鉗、雙極電凝、模擬控制X光照射的腳踏板，并且所述手術(shù)器械上設(shè)置傳感裝置，用于確定所述手術(shù)器械在模型內(nèi)的三維空間關(guān)系及與所述仿真組織、仿真器官進(jìn)行碰撞的力。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種脊柱內(nèi)鏡虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，包括仿真模型、手術(shù)器械、傳感系統(tǒng)和服務(wù)器，服務(wù)器又包含三維幾何模型重建單元、圖像渲染單元、數(shù)據(jù)接收處理單元、顯示單元。軟硬件相結(jié)合，準(zhǔn)確模擬手術(shù)器械、仿真組織、仿真器官的三維空間關(guān)系，檢測(cè)相互的力信息，并進(jìn)行分析反饋，根據(jù)臨床真實(shí)手術(shù)場(chǎng)景，模擬出逼真的鏡下操作環(huán)境，讓操作者身臨其境。
【IPC分類】G09B9/00
【公開號(hào)】CN105448155
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510966283
【發(fā)明人】秦志超, 黃鵬, 張磊
【申請(qǐng)人】天津市醫(yī)學(xué)堂科技有限公司
【公開日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2015年12月22日