一种虚拟正颌手术培训系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种虚拟正颌手术培训系统及方法。
【背景技术】
[0002]重度骨性错颌是一种严重的毁容性的颌面畸形，它主要累及上、下颌骨和咬合功能的问题，不仅造成了患者的咬合功能紊乱和外貌不美观，也引起了一系列的心理问题。虚拟手术培训技术被证明是一种有效的外科手术培训方法，特别是针对手术经验欠缺或者不足的年轻外科医生效果尤其明显。
[0003]目前虚拟正颌手术培训系统尚存在以下问题(I)缺乏一整套系统的虚拟正颌手术培训思路。(2)手术虚拟系统中模拟触觉感知的力触觉反馈系统扮演一个十分重要的角色，是虚拟现实手术中不可或缺的部分。但在虚拟正颌手术培训的研究中，缺乏定量地采集新鲜颌骨切割力构建逼真的触觉反馈。(3)缺乏更为先进、逼真、便捷的虚拟正颌手术培训装置。
【发明内容】
[0004]为了解决目前传统虚拟正颌手术培训系统及方法存在的上述问题，现提供了一种虚拟正颌手术培训系统的构建思路以及基于新鲜颌骨切割力的力触觉反馈功能的实现方法，并提供相关设备搭建方法。具体技术方案如下:
[0005]虚拟正颌手术培训系统应该包括:
[0006]基于新鲜颌骨切割力的力触觉反馈功。通过真实切割新鲜颌骨，获得多参数的切割力回归方程，通过编程将回归方程导入力触觉反馈硬件中，最终实现力触觉反馈功能；
[0007]手术声音仿真。模拟手术截骨、凿骨、磨骨等真实手术的各种声音,例如可以采用录制手术声首_去噪_再现的方式来解决；
[0008]手术课件演练系统。利用3D摄像机录制正颌手术的全部过程，在虚拟手术培训的过程中，实现实时、随时的播放；
[0009]以及三维立体视觉系统。逼真的、实时的3D视觉效果是虚拟手术取得良好效果的保证。
[0010]新鲜颌骨切割力的采集装置主要包括切削系统、控制系统、信号采集系统等。颌骨切削系统，用于正颌手术颌骨切削操作；控制系统，对切削力数据进行分析处理，并实现切削力触觉反馈；信号采集系统，用于采集所述切削装置的切削力数据。本发明通过模拟高逼真感的手术切割手感、组织切割声音，三维立体视觉以及利用3D课件演练，构建了一套虚拟正颌手术培训系统的研发思路，以达到降低手术培训的时间和费用，缩短正颌外科医生的培训时间，同时也减少培训用的活体动物或尸体的数量的目的，具有可观的经济效益。
[0011]优选的，所述切削系统包括数控铣床，所述铣床上设置有精密测力仪，所述数控机床回转工作台上安装有定制的手术锯或钻的夹具，将所述机床手术锯或钻等的手柄夹持在所述夹具上。
[0012]优选的，所述信号采集系统包括信号放大器和数据采集卡，所述信号放大器将接受到的力学信号放大后传输给数据采集卡，所述数据采集卡采集力数据信息。
[0013]优选的，所述控制装置为可以控制切削系统的工作平台以及带有专业力学信号分析软件的主控计算机。
[0014]一种虚拟正颌手术培训系统，包括以下步骤:
[0015]测量正颌手术医生的颌骨切削速度，得出临床进给速度范围。采集人新鲜尸体颌骨的骨密度参数、弹性模量，采集新鲜人颌骨的(钻切，锯切)切削力，得出骨皮质厚度、切削速度、切割频率、钻头转速、骨密度、弹性模量等的回归方程。
[0016]与现有技术相比，上述技术方案提供的虚拟正颌手术培训系统及方法具有以下优点:通过模拟高逼真感的手术切割手感、三维立体视觉、手术切割声音，配合手术3D录像课件演练，可以降低手术培训的时间和费用；缩短正颌外科医生的培训时间，同时也减少培训用的活体动物的数量，具有可观的经济效益。
【具体实施方式】
[0017]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0018]本发明实施例提供了一种虚拟正颌手术培训系统的构建思路以及基于新鲜颌骨切割力的力触觉反馈功能的实现方法，虚拟正颌手术培训系统应该包括:基于新鲜颌骨切割力的力触觉反馈功能，手术声音仿真，手术课件演练系统，以及三维立体视觉系统。
[0019]带有沉浸式虚拟现实与力反馈功能的颅颌面正颌手术虚拟训练系统主要由5个部分组成:高性能图形工作站一主控计算机:利用软件实现数据计算和处理。Display300三维显示系统:显示三维立体的视觉模拟效果。0mega6.0力触觉反馈设备:实现力触觉反馈功能。研发虚拟手术培训软件，实现各种手术操作。通过利用3D摄像机录制正颌手术的详细步骤，后期制作成3D虚拟手术培训课件。虚拟立体视觉的模拟:需要构建逼真的颅颌面形态，包括色泽、光感度、形变等；扫描正颌手术中常用的手术器械，构建逼真的器械静态与工作状态的外形和形变等信息；模拟术中不同组织牵拉和切割形变、颌骨断裂等；模拟术中出血，生理盐水冲洗锯片，钻头等；模拟在牙槽骨中打入牵引钉，移动摆放游离开的上、下颌骨骨块，结扎咬合板，结扎咬合关系，模拟常用正颌手术的截骨路径，牵拉位置等；模拟术后生理盐水冲洗，下颌放置止血纱和负压引流管，分层缝合，以及唇颏部加压包扎等。
[0020]力触觉反馈功能在虚拟手术模拟中具有十分重要的作用。测量三种不同水平(初学，经验较丰富，经验丰富)的正颌医生的颌骨切削速度，得出临床切割颌骨的进给速度的范围。用Micro CT采集新鲜人尸体骨的骨密度等参数，用纳米压痕的方法测量骨头的弹性模量。搭建精密测力平台，采用定量的、可重复机械方法采集新鲜人颌骨的切削力，得出骨皮质厚度、切削速度、切割频率、钻头转速、骨密度、弹性模量等相关因素的回归方程，后期处理方程的精度，导入力触觉反馈设备中，实现逼真的力触觉模拟。新鲜颌骨切割力的采集装置主要包括切削系统、控制系统、信号采集系统等。切削系统主要组成如下:在五轴联动数控万能铣床工作台上牢固粘上树脂水槽，将特制的固定装置用树脂胶牢固粘贴在树脂水槽上，用螺丝将Kistler精密测力仪安装固定在大小两块树脂夹板中(底层为小块树脂板，顶层为大块树脂板，夹板均为定制)，在大块树脂板上固定精密台钳。数控回转工作台上安装定制的手术锯或钻的夹具，将手柄稳定夹持在夹具上，通过调节数控回转工作台的方向可以实现多方向多角度的切削实验，Stryker手术通用钻及钻头，Stryker手术锯及锯片，在手术锯切的过程中用生理盐水冷却刀刃。信号采集系统主要包括:信号放大器，数据采集卡，切削力采集和分析系统(HRsoft DW软件+Thinkpad T410S笔记本电脑系统)。
[0021]本虚拟手术颅颌面外科培训系统配置有立体三维的正颌手术教学课件，使学员可以通过该系统观看专业编录的手术操作教学录像，由在颌骨畸形整复方面具有很高造诣的高年资医生实施手术操作。可用索尼3D高清数码摄像机(HDR-TD30E，Sony，Japan)录制，本课件的特点有:(I)高清、逼真的三维视觉效果，为受训医师提供了“身临其境”的真实手术感；(2)配有真实手术切割声音，例如凿骨声音、截骨声音、生理盐水冲洗声音等；(3)专业医生详细分解每一步手术的细节，尤其对初学者具有积极的引导作用。
[0022]该虚拟正颌手术培训系统的研制成功可以实现大规模、高质量培训正颌外科医生，缓解我国缺乏大量正颌医生的现状，为广大骨性错颌患者(牙颌面畸形是一种常见的毁容性畸形，在人群中的发生比率为40%。)带来福音；可以降低手术培训的时间、费用；缩短正颌外科医生的培训时间，较少培训用的活体动物的牺牲量，避免了培训用尸体的数量；在经济方面，可以全国甚至全球范围内推广，可以获得可观的经济效益。
[0023]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种虚拟正颌手术培训系统，其特征在于，包括: 基于新鲜颌骨切割力的力触觉反馈功能；手术声音仿真，手术课件演练系统，三维立体视觉系统。 新鲜颌骨切割力的采集装置主要包括切削系统、控制系统、信号采集系统等。颌骨切削装置，用于正颌手术颌骨切削操作；信号采集装置，用于采集所述颌骨切削力的数据；控制装置，控制整个颌骨切割平台的正常运作，并对切削力数据进行处理分析。
2.根据权利要求1所述的新鲜颌骨切割力的采集装置，其特征在于，所述切削装置包括数控铣床，所述铣床上设置有精密测力仪，所述数控机床回转工作台上安装有定制的手术锯或钻的夹具，将所述手术锯或钻的手柄夹持在所述夹具上。
3.根据权利要求1所述的新鲜颌骨切割力的采集装置，其特征在于，所述信号采集装置包括信号放大器和数据采集卡，所述数据采集卡采集数据信息，并由所述信号放大器可以将力学信号放大。
4.根据权利要求1所述的新鲜颌骨切割力的控制装置，其特征在于，所述控制装置为可以控制切削系统的工作平台以及带有专业软件的主控计算机。
5.基于新鲜颌骨切割力的力触觉反馈功能，其特征在于，包括以下内容: 测量正颌手术医生的颌骨切削速度，得出临床进给速度范围。采集人新鲜尸体颌骨的骨密度参数、弹性模量，采集新鲜人颌骨的(钻切，锯切)切削力，得出骨皮质厚度、切削速度、切割频率、钻头转速、骨密度、弹性模量等的回归方程。
【专利摘要】本发明公开了一种虚拟正颌手术培训系统，主要包括切削系统、控制系统、信号采集系统等。颌骨切削系统，用于正颌手术颌骨切削操作；控制系统，对切削力数据进行分析处理，并实现切削力触觉反馈；信号采集系统，用于采集所述切削装置的切削力数据。本发明通过模拟高逼真感的手术切割手感、组织切割声音，三维立体视觉以及利用3D课件演练，构建了一套虚拟正颌手术培训系统的研发思路，以达到降低手术培训的时间和费用，缩短正颌外科医生的培训时间，同时也减少培训用的活体动物或尸体的数量的目的，具有可观的经济效益。
【IPC分类】G09B9-00, G09B23-28
【公开号】CN104658389
【申请号】CN201310576347
【发明人】沈国芳, 于德栋, 王成焘, 王旭东, 陈晓军, 林艳萍
【申请人】上海交通大学医学院附属第九人民医院
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2013年11月18日