虚拟腹腔镜胆道探查术训练方法和系统与流程

文档序号:11213792阅读:823来源:国知局
虚拟腹腔镜胆道探查术训练方法和系统与流程

本发明涉及虚拟手术教学技术领域,特别涉及一种虚拟腹腔镜胆道探查术训练。



背景技术:

腹腔镜手术是一门新发展起来的微创手术方法,自法国人mouret实施第一例腹腔镜胆囊切除术开始已有100多年的发展历程,现已成为医学界普遍采取的新技术。该技术具有创口小,恢复快,减轻病人痛苦,缩短住院时间等优点,深受患者和医生欢迎。但是,实施腹腔镜手术需要依靠医生精湛的技术才能完成,而精湛的技术受限于手术经验,只有通过训练和临床实践才能获取。

现有的腹腔镜手术训练系统主要以模拟操作箱为主,操作箱用来模拟人体的体腔,里面放置一些小球,线等物体来模拟真实手术操作的对象。使用真实的器械在操作箱内进行各种基本手法或者手术片段。这种方法没有直观呈现出人体内部实际构造,对于基本手法甚至会误导,部分微创手术器械无法训练(如电凝),临床真实的微创手术还会有更多的位置因素,也无法在操作箱内表现。

虚拟手术系统是利用虚拟现实技术在现代医学中的应用。它是一个融合计算机技术、计算机图形学、传感器技术、生物力学、现代医学、图像处理、计算机视觉、机器人学、科学计算可视化等学科的多学科交叉研究领域。借助于虚拟手术系统,医护人员在计算机生成的虚拟环境中利用仿真器械模拟手术操作,同时虚拟手术系统还可以播放标准手术操作,节约了医务培训费用和时间,达到迅速提高医学生和实习医生手术技能的目的。



技术实现要素:

有鉴于此,本发明提出一种虚拟腹腔镜胆道探查术训练方法和系统。

一种虚拟腹腔镜胆道探查术训练系统,其包括如下模块:

物理建模模块、胆结石随机生成模块、专家演示模块、分步训练模块;

所述系统物理建模模块用于生成虚拟腹腔镜手术所需的人体模型及各项手术器械;

所述胆结石随机生成模块用于随机生成胆总管结石;

所述专家演示模块用于将已存储的专家操作信息播放;

所述分步训练模块用于对手术关键步骤训练。

在本发明所述的虚拟腹腔镜胆道探查术训练系统中,

所述系统物理建模模块包括:

基于中国数字人数据,在人体模型的基础上增加多边形数量并添加纹理贴图,以提高人体模型逼真度;按照真实腹腔镜器械进行建模和贴图建立虚拟手术器械模型。

在本发明所述的虚拟腹腔镜胆道探查术训练系统中,

所述胆结石随机生成模块包括:

在maya中制作胆结石模型并赋予文理贴图;

在场景中加载人体模型,测量胆总管内结石可能出现区域,在区域内随机生成位置坐标,在该坐标创建结石,并对结石进行预设比例的缩放和旋转。

在本发明所述的虚拟腹腔镜胆道探查术训练系统中,

所述专家演示模块已存储的专家操作信息包括手术器械的类型,起始和终止时的位移和旋转,以及夹持电凝等操作信息,每一步的操作耗时;根据起始和终止时的位置差值和角度差值计算每一帧的步长,实时对器械位置和角度进行更新;当器械进入特定触发区域,激活相应变形动画。

在本发明所述的虚拟腹腔镜胆道探查术训练系统中,

所述分步训练模块包括4个独立操作单元,包括探查calot三角及胆总管单元、夹闭胆囊管单元、胆总管切开单元、胆道镜下取石单元;

所述探查calot三角及胆总管单元用于实现对calot三角及胆总管单元探查训练;

所述夹闭胆囊管单元用于实现胆囊管单元夹闭训练;

所述胆总管切开单元用于实现胆总管切开训练;

所述胆道镜下取石单元用于实现胆道镜下取石训练。

本发明还提供一种虚拟腹腔镜胆道探查术训练方法,

其包括如下步骤:

s1、生成虚拟腹腔镜手术所需的人体模型及各项手术器械;

s2、随机生成胆总管结石;

s3、加载虚拟腹腔镜胆道探查术训练场景;

s4、判断是否进入专家演示模式,是则跳转到步骤s5;否则跳转到步骤s/6;

s5、读取专家操作流程信息,改变手术器械的位置并播放器官形变动画;

s6、判断选择的训练步骤,并根据选择的训练步骤完成相应的训练。

在本发明所述的虚拟腹腔镜胆道探查术训练方法中,

所述步骤s6中在各个训练步骤中均设置有器械操作触发区域,用于判断用户操作是否正确。

在本发明所述的虚拟腹腔镜胆道探查术训练方法中,

所述训练步骤包括:探查calot三角及胆总管、夹闭胆囊管、胆总管切开、胆道镜下取石;

相应地,在为在胆道镜下取石单元中,包含腹腔镜下场景与胆道镜下场景的显示和切换。

实施本发明提供的虚拟腹腔镜胆道探查术训练方法和系统与现有技术相比具有以下有益效果:

(1)系统的人体器官模型依据真实的人体断层数据重建而成,器械按照真实腹腔镜器械比例建模,模拟出逼真的镜下操作环境,让操作者身临其境。

(2)系统中胆总管结石的位置和形状不一,用来模拟复杂多样的临床表现,解决了普通腹腔镜胆总管探查手术训练模型单一的问题。

(3)系统中包含专家演示模块,对于初学者来说具有指导意义。

(4)系统将关键手术步骤进行拆分,有利于用户对特定步骤进行反复训练。

附图说明

图1是本发明实施例的虚拟腹腔镜胆道探查术训练流程图。

图2是本发明实施例的操作画面示意图。

具体实施方式

一种虚拟腹腔镜胆道探查术训练系统,其包括如下模块:

物理建模模块、胆结石随机生成模块、专家演示模块、分步训练模块;

所述系统物理建模模块用于生成虚拟腹腔镜手术所需的人体模型及各项手术器械;

在本发明所述的虚拟腹腔镜胆道探查术训练系统中,

所述系统物理建模模块包括:

基于中国数字人数据,在人体模型的基础上增加多边形数量并添加纹理贴图,以提高人体模型逼真度;按照真实腹腔镜器械进行建模和贴图建立虚拟手术器械模型,能够生成虚拟腹腔镜手术所需的各项手术器械。能够实现在虚拟环境下,给用户提供手术实施的对象。

所述胆结石随机生成模块用于随机生成胆总管结石;

在本发明所述的虚拟腹腔镜胆道探查术训练系统中,

所述胆结石随机生成模块包括:

在maya中制作胆结石模型并赋予文理贴图;

在场景中加载人体模型,测量胆总管内结石可能出现区域,在区域内随机生成位置坐标,在该坐标创建结石,并对结石进行预设比例的缩放和旋转。

虚拟手术操作过程中,在胆道内的不同位置生成数量随机大小各异的胆结石,给用户创造不同的病灶特征和操作体验。

所述专家演示模块用于将已存储的专家操作信息播放;

能够实现在完整的虚拟手术场景中,播放专家推荐的手术器械操作路径以及操作过程中目标器官形变动画。

在本发明所述的虚拟腹腔镜胆道探查术训练系统中,

所述专家演示模块已存储的专家操作信息包括手术器械的类型,起始和终止时的位移和旋转,以及夹持电凝等操作信息,每一步的操作耗时;根据起始和终止时的位置差值和角度差值计算每一帧的步长,实时对器械位置和角度进行更新;当器械进入特定触发区域,激活相应变形动画。

所述分步训练模块用于对手术关键步骤训练。

在本发明所述的虚拟腹腔镜胆道探查术训练系统中,

所述分步训练模块包括4个独立操作单元,包括探查calot三角及胆总管单元、夹闭胆囊管单元、胆总管切开单元、胆道镜下取石单元;

所述探查calot三角及胆总管单元用于实现对calot三角及胆总管单元探查训练;

所述夹闭胆囊管单元用于实现胆囊管单元夹闭训练;

所述胆总管切开单元用于实现胆总管切开训练;

所述胆道镜下取石单元用于实现胆道镜下取石训练。

在本发明实施例中,优选地,每个独立操作单元的起始转台,程序将腹腔镜镜头设定在有利于该步骤操作的位置,用户选择机械手类型,实例化相应机械手,通过控制机械手的位移,旋转以及相应功能操作(如夹持,电凝,切割)来完成手术过程。在胆道镜下取石单元中,需要同时展现胆道镜下场景和腹腔镜下场景,场景切换如图2所示,程序设置主场景大小为屏幕大小,以屏幕左上角为坐标原点,设置主场景坐标为(0,0),深度为0。设置副场景的长宽均为屏幕长宽的40%,以屏幕左上角为坐标原点,设置主场景坐标为(0.6,0.6),深度为1。切换主副场景,程序交互两场景的坐标值和深度值。

优选地,每个独立操作单元都设置有器械操作触发区域,用于判断用户操作是否正确。在胆道镜下取石单元中,包含腹腔镜下场景与胆道镜下场景的显示和切换。

如图1所示,本发明还提供一种虚拟腹腔镜胆道探查术训练方法,

其包括如下步骤:

s1、生成虚拟腹腔镜手术所需的人体模型及各项手术器械;

s2、随机生成胆总管结石;

s3、加载虚拟腹腔镜胆道探查术训练场景;

s4、判断是否进入专家演示模式,是则跳转到步骤s5;否则跳转到步骤s/6;

s5、读取专家操作流程信息,改变手术器械的位置并播放器官形变动画;

s6、判断选择的训练步骤,并根据选择的训练步骤完成相应的训练。

在本发明所述的虚拟腹腔镜胆道探查术训练方法中,

所述步骤s6中在各个训练步骤中均设置有器械操作触发区域,用于判断用户操作是否正确。

在本发明所述的虚拟腹腔镜胆道探查术训练方法中,

所述训练步骤包括:探查calot三角及胆总管、夹闭胆囊管、胆总管切开、胆道镜下取石;

相应地,在为在胆道镜下取石单元中,包含腹腔镜下场景与胆道镜下场景的显示和切换。

实施本发明提供的虚拟腹腔镜胆道探查术训练方法和系统与现有技术相比具有以下有益效果:

(1)系统的人体器官模型依据真实的人体断层数据重建而成,器械按照真实腹腔镜器械比例建模,模拟出逼真的镜下操作环境,让操作者身临其境。

(2)系统中胆总管结石的位置和形状不一,用来模拟复杂多样的临床表现,解决了普通腹腔镜胆总管探查手术训练模型单一的问题。

(3)系统中包含专家演示模块,对于初学者来说具有指导意义。

(4)系统将关键手术步骤进行拆分,有利于用户对特定步骤进行反复训练。

可以理解的是,对于本领域的普通技术人员来说,可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形,而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

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