基于混合现实技术的假体置换手术模拟系统及构建方法与流程

本发明涉及医疗信息化技术领域，具体说，涉及一种基于混合现实技术的假体置换手术模拟系统及构建方法。

背景技术：

脊柱是人体最重要的组成部分，身体的毛病都来源于神经系统，因为神经系统控制内分泌及掌控五脏六腑等器官，而神经系统正常与否，会受骨骼架构影响，人体神经系统的中枢神经系统包括脑和脊髓，脊髓位于脊椎管内，周围神经系统包含12对脑神经和31对脊柱自律神经，而大部分脑神经及所有的脊椎神经都由脊椎中间管道（脊椎管）通过，一旦脊椎出现问题，就会压迫神经从而影响正常的调节功能，从而衍生出许多疾病，影响人体身体健康。

脊椎对人体的重要性不言而喻，关于脊椎的治疗也是医学领域的重点和难点，由于脊椎周边具有密集的血管和神经，加大了手术难度和复杂性。传统脊椎假体置换手术，通过ct或核磁所生成的图像是二维平面的，由于受限于其成像技术及显示方式，需要根据医生个人的临床经验及空间想象力来在脑海中重建手术部位的实际解剖结构，并通过假体植入脊椎部位试验观察假体植入效果，但二维的医学图像与三维的手术场景之间存在很大差距，假体植入试验也会导致手术时间延长，加深患者的痛苦和伤害，因此传统影像技术与手术方法应用起来存在一定难度，也存在一定的误差。

混合现实（mr）导航技术，是虚拟现实技术的进一步发展，能够合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境，在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。如何能将高难复杂的脊椎假体置换手术与混合现实（mr）导航技术相融合，实现虚拟可视化手术操作与教学指导，将是改变目前手术现状，提升医疗水准，造福民生的一项重大举措，这是一个亟需解决的问题。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提供一种基于混合现实技术的假体置换手术模拟系统的构建方法：

步骤（1），建立假体数据云存储库，录入和存储各种参数的脊柱假体模型的图像和数据信息：

第一步，脊柱假体3d建模：使用三维激光扫描仪对其进行高速激光扫描和测量，获取假体表面完整、连续的全景点三维坐标数据，使用逆向工程软件对扫描得到的点进行后处理，得到假体三维模型，获取假体参数；

第二步，搭建云端服务器，并建立假体3d模型图像及参数云存储数据库，将a步骤得到的脊柱假体模型的图像和数据进行收录，整理，并按照所在脊柱部位对假体进行分类和编号；

步骤（2），扫描人体脊柱（脊柱学名或范围）影像图像，包括ct扫描影像或核磁扫描影像：

扫描体位：颈椎，胸椎，腰椎，骶骨、尾骨；

步骤（3），人体脊柱影像导入及三维图像建模；

将步骤（2）所采集的二维的人体脊柱影像导入计算机工作站，并通过医学图像处理软件对图像进行初步处理，生成stl格式文件，再将生成的stl格式文件用三维制图软件打开，并按照手术要求修改三维模型，并导出fbx格式文件，通过3d引擎转化，制作三维数字化模型资源包，上传至云端服务器，形成人体脊柱三维数字化模型库；

步骤(4),在mr智能设备上实现对人体脊柱影像三维数字化模型的控制：

从云端服务器下载步骤（3）生成的人体脊柱三维数字化模型到具有显示面板和控制面板功能的mr智能设备上，在显示面板上可以打开并显示人体脊柱三维数字化模型，在控制面板上可以对三维数字化模型进行选取、删除、添加、等比例缩放、移动、旋转、颜色调节、部位标记、透明度增减功能的操作；

步骤（5），计算假体参数：

在mr智能设备的数据处理模块中输入能够测量并计算需要置换的部位的参数的算法，并在mr智能设备显示的人体脊柱三维数字化模型上，手动选择需要手术置换的部位，mr智能设备的数据处理模块会自动按照输入的算法测量并计算出需要置换的假体的参数；

能够测量并计算需要置换的部位的参数的计算方法：采用逆向工程算法，针对病灶处（需要假体置换的部位）人体脊椎3d模型进行尺寸评估，获取病灶处模型结构的位置的三维坐标和转向的角度坐标，对模型进行垂直定向归正，以平面对模型进行由上至下的扫描，分别确定病灶处模型的顶面和底面的定点三维坐标，然后分别确定病灶处模型顶面到底面的最长距离和最短距离，在最短距离和最长距离的区间范围内查找符合参数要求的假体模型；

步骤（6），调取脊柱假体3d模型：

在mr智能设备上从步骤（1）建立的假体数据云存储库中选择并调取与步骤（5）选择的假体安装部位和计算的假体参数相匹配的假体3d模型n个，将调取的n个假体3d模型导入到步骤（4）中显示人体脊柱三维数字化模型的显示面板上,同样地，在控制面板上可以对假体3d模型进行选取、删除、添加、等比例缩放、移动、旋转、颜色调节、部位标记、位移、透明度增减功能的操作；

步骤（7），假体置换效果评估：

手动将显示面板上的假体3d模型与人体脊柱三维数字化模型需要置换的部位进行匹配，mr智能设备的数据处理模块上设定有能自动计算出假体模型与人体脊柱三维数字化模型上需要置换部位匹配度的算法，并分析假体3d模型被植入人体脊柱三维数字化模型后，脊柱产生的形变，和多个假体3d模型植入效果的显示对比，根据算法，自动计算出假体模型与人体脊柱三维数字化模型上需要置换部位的匹配度，并在显示面板上显示出由于假体的植入，人体脊柱会产生的形变和仿真效果，并通过对多个假体3d模型的植入效果进行对比分析，自动筛选出最佳匹配方案，从而在应用混合现实技术下，实现高精度还原的脊柱假体置换手术模拟操作；

能自动计算出假体模型与人体脊柱三维数字化模型上需要置换部位匹配度的算法：

将各假体分别放置在病灶处，使用扫描层扫描脊柱与假体之间的距离t1，t2，b1，b2；

t1：假体左侧针对脊柱上部的距离；

t2：假体右侧针对脊柱上部的距离；

b1：假体左侧针对脊柱下部的距离；

b2：假体右侧针对脊柱下部的距离；

确定脊柱在t1，t2，b1，b2不同值下脊柱整体高度h的变化范围，根据健康状态下的脊柱高度作为参考，筛选出值最接近健康状态的脊柱高度的选项为最优替换方案；

步骤（8），人体脊柱三维数字化模型与患者自动匹配：

应用混合现实（mr）导航技术，在患者身上放置内含患者信息所生成的二维码，形成定位标识，mr智能设备扫描患者身上的二维码定位标识，使mr智能设备上呈现的人体脊柱二维数字化模型与患者病灶处快速匹配，便于定位操作。

进一步的，基于所述的步骤(4),还可以在智能终端上实现对人体脊柱三维数字化模型的控制：

从云端服务器上下载步骤（3）生成的人体脊柱三维数字化模型到具有显示面板和控制面板功能的智能终端上，在显示面板上可以打开并显示人体脊柱三维数字化模型，在控制面板上可以对三维数字化模型进行加载、删除、添加、缩放、移动、旋转、颜色调节、部位标记、位移、透明度增减功能的操作，所述的智能终端通过无线网络连接并控制mr智能设备，可以实现对人体脊柱三维数字化模型的精准控制。

进一步的，依据基于混合现实技术的假体置换手术模拟系统的构建方法，在mr智能设备上建立脊柱假体置换手术演示系统和操作系统：

脊柱假体置换手术演示系统建立步骤：

步骤（1）、将脊柱假体置换手术的操作流程、各流程所需要的器械和用品的使用要求和顺序、以及流程中需要注意的事项信息录入并存储在mr智能设备中，形成脊柱假体置换手术信息库；

步骤（2）、采集人体模型、手术空间环境、各流程所需要的器械和用品图片，并导入计算机工作站，进行图片初级处理，生成stl格式文件，再将生成的stl格式文件用三维制图软件打开，并导出fbx格式文件，通过3d引擎转化，制作三维数字化模型资源包，上传至云端服务器，分别形成人体3d模型库、手术空间环境3d模型库、手术流程所需器械及用品3d模型库；

步骤（3）、在计算机工作站上，按照脊柱假体置换手术流程和要求，应用人体模型、手术空间环境、各流程所需要的器械和用品图片的3d模型素材，制作模拟手术演示文件，并上传至云端服务器；

步骤（4）、在mr智能设备上加载模拟手术演示文件，在控制面板中控制演示系统自动演示手术过程，在手术演示过程中，可以通过控制面板对演示过程进行快进、后退、流程重复播放、暂停、标记、关闭的操作。

脊柱假体置换手术操作系统建立步骤：

步骤（1）和步骤（2）与脊柱假体置换手术演示系统的步骤（1）和步骤（2）相同；

步骤（3）、将人体模型、手术空间环境、各流程所需要的器械和用品的3d模型下载到mr智能设备上，并在显示面板中打开；

步骤（4）、在控制面板中控制操作系统，实施人按照手术流程提示，手动控制手术器械和用品，对在mr智能设备显示面板中显示的人体模型实施模拟手术，通过控制面板，可以实现对手术器械和用品3d模型的选取、移动、旋转、标记、按比例缩放、颜色调节功能的操作，还可以实现对人体模型的部位选取、移动、旋转、标记、按比例缩放、颜色调节功能的操作。

进一步的，所述脊柱假体置换手术操作系统的步骤(3),还可以将人体模型、手术空间环境、各流程所需要的器械和用品的3d模型下载到智能终端上，在智能终端上实现对人体模型、各流程所需要的器械和用品的3d模型的控制：

从云端服务器下载脊柱假体置换手术演示系统步骤（2）生成的人体模型、各流程所需要的器械和用品的3d模型到具有显示面板和控制面板功能的智能终端上，在显示面板上可以打开并显示人体模型、各流程所需要的器械和用品的3d模型，在控制面板上可以实现对手术器械和用品3d模型的选取、移动、旋转、标记、按比例缩放、颜色调节功能的操作，还可以实现对人体模型的部位选取、移动、旋转、标记、按比例缩放、颜色调节功能的操作，所述的智能终端通过无线网络连接并控制mr智能设备，可以实现对人体模型、各流程所需要的器械和用品的3d模型的精准控制。

基于混合现实技术的假体置换手术模拟系统，其组成包括：

假体数据云存储模块：录入和存储各种参数的脊柱假体模型的图像和数据信息，所述假体数据云存储模块包括假体3d建模单元，假体3d模型图像及参数云存储单元；

假体3d建模单元：在计算机工作站上建立假体3d建模单元，单元内安装有逆向工程软件，设置有假体参数提取子单元，通过逆向工程软件对三维激光扫描仪扫描假体表面得到的完整、连续的点进行后处理，得到假体三维模型，通过假体参数提取子单元，获取假体参数，并将假体三维模型和假体参数传输到假体3d模型图像及参数云存储单元；

假体3d模型图像及参数云存储单元：将由假体3d建模单元传输的假体3d模型图像及参数进行收录、整理和分类编号；搭建云端服务器，在云端服务器中建立假体3d模型图像及参数云存储单元，所述假体3d模型图像及参数云存储单元内分别设置颈椎假体子单元，胸椎假体子单元，腰椎假体子单元，骶骨假体子单元、尾骨假体子单元，收录到假体子单元内的假体模型会由编号处理器分配编号；

3d模型构建模块：在计算机工作站上建立3d模型构建模块，将二维的人体脊柱影像进行三维建模，3d模型构建模块包括输入单元、图像初级处理单元、3d建模单元和输出单元，扫描人体脊柱形成的影像通过输入单元传输到图像初级处理单元，在图像初级处理单元经过提取、划分和修正处理后，再将图像传递到3d建模单元进行三维数字化模型转换，经过转化后形成的人体脊柱三维数字化模型经过输出单元上传到云端服务器，储存在人体脊柱三维数字化模型库里；

mr智能设备：用来加载、呈现、数据处理和控制三维数字化模型图像的载体，mr智能设备包括文件加载模块、显示模块、控制模块、数据处理模块和假体调取模块；

所述加载模块：用来加载三维数字化模型文件；

所述显示模块：用来显示三维数字化模型及文字化信息；

所述控制模块：用来控制三维数字化模型实现预期功能；

所述控制模块包括“选取”控制单元、“删除”控制单元、“添加”控制单元、“等比例缩放”控制单元、“移动”控制单元、“旋转”控制单元、“颜色调节”控制单元、“部位标记”控制单元、“透明度增减”控制单元；

所述数据处理模块：用来计算需要置换的假体参数和模拟假体植入后的效果评估，计算出的需要置换的假体参数传递到假体调取模块，所述数据处理模块包括参数计算单元和模拟分析单元；

所述参数计算单元：设计有能够测量并计算需要置换的部位的参数的算法程序，用来确定所需假体的参数，再将确定的假体参数传递到所述假体调取模块；

所述模拟分析单元：建立有能自动计算出假体模型与人体脊柱三维数字化模型上需要置换部位匹配度的计算程序，用来分析假体3d模型被植入人体脊柱三维数字化模型后，脊柱产生的形变，并对多个假体3d模型的植入效果进行分析对比；

所述假体调取模块：包含“搜索”子模块、“调取”子模块，根据置换所需的假体参数在假体3d模型图像及参数云存储单元中搜索、调取置换所需的假体3d模型文件，并将该3d模型文件显示在显示模块中；

二维码定位模块：基于混合现实（mr）导航技术，辅助mr智能设备中显示的人体脊柱三维数字化模型与患者病灶处快速定位，所述的二维码定位模块包括二维码信息录入单元，二维码信息筛选单元，二维码信息生成单元和二维码载体；

所述的云端服务器和所述的计算机工作站采用无线网络连接，所述的计算机工作站与所述的mr智能设备采用无线网络连接，所述mr智能设备通过无线网络与所述云端服务器连接。

进一步的，所述的人体脊柱三维数字化模型和假体3d模型可以加载到智能终端上，所述的智能终端上设置有显示面板和控制面板，所述的控制面板上分别设置有“加载”、“删除”、“添加”、“缩放”、“移动”、“旋转”、“颜色调节”、“部位标记”、“透明度增减”功能模块，所述的智能终端通过无线网络连接所述的云端服务器和mr智能设备，并控制mr智能设备，可以实现对人体脊柱三维数字化模型的精准控制。

进一步的，在所述的云端服务器上建立人体模型库模块、手术空间环境3d模型库模块、手术流程所需要的器械及用品3d模型库模块；

在所述的mr智能设备上建立手术信息模块，存储脊柱假体置换手术操作流程信息和各流程所需要的器械和用品的使用要求和顺序信息；

所述的mr智能设备上设置有脊柱假体置换手术演示系统和操作系统；

所述的演示系统：包括用来显示手术流程及基于mr混合现实技术的手术内容的显示模块和控制演示系统播放的演示系统控制模块，演示系统控制模块包括“加载”子模块、“快进”子模块、“后退”子模块、“重复播放”子模块、“选择”子模块、“暂停”子模块、“标记”子模块和“关闭”子模块；

所述操作系统：包括用来显示手术流程及基于mr混合现实技术的手术内容的显示模块和控制操作系统的控制模块，操作系统控制模块包括“加载”子模块、“选取”子模块、“移动”子模块、“旋转”子模块、“标记”子模块、“等比例缩放”子模块和“颜色调节”子模块。

进一步的，将人体模型库模块、手术空间环境3d模型库模块、手术流程所需要的器械及用品3d模型库模块和手术信息模块中的内容加载到智能终端上，所述的智能终端上设置有显示单元和控制单元，所述控制单元包括“加载”子模块、“选取”子模块、“移动”子模块、“旋转”子模块、“标记”子模块、“等比例缩放”子模块和“颜色调节”子模块，所述智能终端通过无线网络连接并控制mr智能设备，可以实现对人体模型、各流程所需要的器械和用品的3d模型的精准控制。

进一步的，所述的二维码载体，用来显示二维码图案，可以是纸质材料或金属板或塑料板。

有益效果

1、本发明利用人体脊椎二维影像数据，导入影像三维处理软件，构建3d数字模型；随后，依据3d重建影像结合混合现实技术模拟人体真实影像，对病患部位脊椎进行三维立体显像，通过mr智能设备将脊柱形态呈现在医生眼前，高精度地还原患者真实解剖及病变部位，而且医生可以根据需要操控模型上下旋转，立体化的呈现病况及位置；进一步的，通过混合现实（mr）的导航技术，能将生成的影像与病人身体相应部位准确重合，将外科医生变成“透视眼”，透过皮肤、肌肉直接观察病变的脊椎，使医生能够精准细致了解病情；进一步的，通过打造可视化脊椎假体置换手术模拟系统，将不同假体置换方案进行模拟分析，可以对假体模型的植入对脊椎产生的影响进行预先的研究、判断和筛选，为临床医生提供精确的治疗参考依据，从而提高假体置换的精准度和速度，缩减手术时间，减轻手术痛苦，有效降低了手术的难度和复杂度。

2、本发明采用智能终端对mr智能设备进行精准控制，可以避免手势控制mr智能设备时产生的精确度误差和操作延时。

3、本发明在系统中建立了脊柱手术演示系统和操作系统，结合mr混合现实技术，可以将高精度还原的患者真实病变结构和高度仿真的手术操作以3d数字化模型的方式呈现在mr智能设备上，供学员学习、操作和交流，改变传统的手术实操或远程观摩式培训方法，增强手术培训学习的直观性、真实性和可操作性，让脊椎假体置换手术的培训效果有质的改变和提升。

附图说明

附图1为本发明构建方法步骤示意图；

附图2为本发明系统流程示意图；

附图3为本发明假体数据云存储模块结构示意图；

附图4为本发明3d模型构建模块结构示意图；

附图5为本发明mr智能设备结构示意图；

附图6为本发明二维码定位模块结构示意图；

附图7为本发明人体脊椎二维影像转成三维数字化模型示意图；

附图8为本发明人体脊柱假体置换效果示意图。

附图2中：1-云端服务器，2-计算机工作站，3-假体数据云存储模块，4-3d模型构建模块，5-mr智能设备，6-二维码定位模块，7-人体脊柱三维数字化模型库，8-人体模型库模块，9-手术流程所需器械及用品3d模型库模块，10-手术空间环境3d模型库模块；

附图3中：31-假体3d建模单元，311-假体参数提取子单元，32-假体3d模型图像及参数云存储单元，321-编号处理器，322颈椎假体子单元，323-胸椎假体子单元，324-腰椎假体子单元，325-骶骨假体子单元，326-尾骨假体子单元；

附图4中：41-输入单元，42-图像初级处理单元安，43-3d建模单元，44-输出单元；

附图5中：51-加载模块，52-显示模块，53-控制模块，54-数据处理模块，541-参数计算单元，542-模拟分析单元，55-假体调取模块，551-“搜索”子模块，552-“调取”子模块，56-手术演示系统，57-手术操作系统，58-手术信息模块；

附图6中：61-二维码信息录入单元，62-二维码信息筛选单元，63-二维码信息生成单元，64-二维码载体；

附图8中：（1）图代表假体模型1（比正常尺寸偏大）植入人体脊椎3d模型中，引起脊椎弧度及角度形变的示意图，（2）图代表假体模型2（正常尺寸）植入人体脊椎3d模型中，引起脊椎弧度及角度形变的示意图，（3）图代表假体模型2（比正常尺寸偏小）植入人体脊椎3d模型中，引起脊椎弧度及角度形变的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式结合附图1——附图8进一步说明基于混合现实技术的假体置换手术模拟系统的构建方法：

步骤（1），建立假体数据云存储库，录入和存储各种参数的脊柱假体模型的图像和数据信息：

第一步，脊柱假体3d建模：使用三维激光扫描仪对其进行高速激光扫描和测量，获取假体表面完整、连续的全景点三维坐标数据，使用逆向工程软件对扫描得到的点进行后处理，得到假体三维模型，获取假体参数；

第二步，搭建云端服务器，并建立假体3d模型图像及参数云存储数据库，将a步骤得到的脊柱假体模型的图像和数据进行收录，整理，并按照所在脊柱部位对假体进行分类和编号；

步骤（2），扫描人体脊柱（脊柱学名或范围）影像图像，包括ct扫描影像或核磁扫描影像：

扫描体位：颈椎，胸椎，腰椎，骶骨、尾骨；

步骤（3），人体脊柱影像导入及三维图像建模：

将步骤（2）所采集的二维的人体脊柱影像导入计算机工作站，并通过医学图像处理软件对图像进行初步处理，生成stl格式文件，再将生成的stl格式文件用三维制图软件打开，并按照手术要求修改三维模型，并导出fbx格式文件，通过3d引擎转化，制作三维数字化模型资源包，上传至云端服务器，形成人体脊柱三维数字化模型库；

步骤(4),在mr智能设备上实现对人体脊柱影像三维数字化模型的控制：

从云端服务器下载步骤（3）生成的人体脊柱三维数字化模型到具有显示面板和控制面板功能的mr智能设备上，在显示面板上可以打开并显示人体脊柱三维数字化模型，在控制面板上可以对三维数字化模型进行选取、删除、添加、等比例缩放、移动、旋转、颜色调节、部位标记、透明度增减功能的操作；

步骤（5），计算假体参数：

在mr智能设备的数据处理模块中输入能够测量并计算需要置换的部位的参数的算法，并在mr智能设备显示的人体脊柱三维数字化模型上，手动选择需要手术置换的部位，mr智能设备的数据处理模块会自动按照输入的算法测量并计算出需要置换的假体的参数；

能够测量并计算需要置换的部位的参数的计算方法：采用逆向工程算法，针对病灶处（需要假体置换的部位）人体脊椎3d模型进行尺寸评估，获取病灶处模型结构的位置的三维坐标和转向的角度坐标，对模型进行垂直定向归正，以平面对模型进行由上至下的扫描，分别确定病灶处模型的顶面和底面的定点三维坐标，然后分别确定病灶处模型顶面到底面的最长距离和最短距离，在最短距离和最长距离的区间范围内查找符合参数要求的假体模型；

步骤（6），调取脊柱假体3d模型：

在mr智能设备上从步骤（1）建立的假体数据云存储库中选择并调取与步骤（5）选择的假体安装部位和计算的假体参数相匹配的假体3d模型n个，将调取的n个假体3d模型导入到步骤（4）中显示人体脊柱三维数字化模型的显示面板上,同样地，在控制面板上可以对假体3d模型进行选取、删除、添加、等比例缩放、移动、旋转、颜色调节、部位标记、位移、透明度增减功能的操作；

步骤（7），假体置换效果评估：

手动将显示面板上的假体3d模型与人体脊柱三维数字化模型需要置换的部位进行匹配，mr智能设备的数据处理模块上设定有能自动计算出假体模型与人体脊柱三维数字化模型上需要置换部位匹配度的算法，并分析假体3d模型被植入人体脊柱三维数字化模型后，脊柱产生的形变，和多个假体3d模型植入效果的显示对比，根据算法，自动计算出假体模型与人体脊柱三维数字化模型上需要置换部位的匹配度，并在显示面板上显示出由于假体的植入，人体脊柱会产生的形变和仿真效果，并通过对多个假体3d模型的植入效果进行对比分析，自动筛选出最佳配比方案，从而在应用混合现实技术下，实现高精度还原的脊柱假体置换手术模拟操作；

能自动计算出假体模型与人体脊柱三维数字化模型上需要置换部位匹配度的算法：

将各假体分别放置在病灶处，使用扫描层扫描脊柱与假体之间的距离t1，t2，b1，b2；

t1：假体左侧针对脊柱上部的距离；

t2：假体右侧针对脊柱上部的距离；

b1：假体左侧针对脊柱下部的距离；

b2：假体右侧针对脊柱下部的距离；

确定脊柱在t1，t2，b1，b2不同值下脊柱整体高度h的变化范围，根据健康状态下的脊柱高度作为参考，筛选出值最接近健康状态的脊柱高度的选项为最优替换方案；

步骤（8），人体脊柱三维数字化模型与患者自动匹配：

应用混合现实（mr）导航技术，在患者身上放置内含患者信息所生成的二维码，形成定位标识，mr智能设备扫描患者身上的二维码定位标识，使mr智能设备上呈现的人体脊柱二维数字化模型与患者病灶处快速匹配，便于定位操作。

进一步的，基于所述的步骤(4),还可以在智能终端上实现对人体脊柱三维数字化模型的控制：

从云端服务器上下载步骤（3）生成的人体脊柱三维数字化模型到具有显示面板和控制面板功能的智能终端上，在显示面板上可以打开并显示人体脊柱三维数字化模型，在控制面板上可以对三维数字化模型进行加载、删除、添加、缩放、移动、旋转、颜色调节、部位标记、位移、透明度增减功能的操作，所述的智能终端通过无线网络连接并控制mr智能设备，可以实现对人体脊柱三维数字化模型的精准控制。

进一步的，依据基于混合现实技术的假体置换手术模拟系统的构建方法，在mr智能设备上建立脊柱假体置换手术演示系统和操作系统：

脊柱假体置换手术演示系统建立步骤：

步骤（1）、将脊柱假体置换手术的操作流程、各流程所需要的器械和用品的使用要求和顺序、以及流程中需要注意的事项信息录入并存储在mr智能设备中，形成脊柱假体置换手术信息库；

步骤（2）、采集人体模型、手术空间环境、各流程所需要的器械和用品图片，并导入计算机工作站，进行图片初级处理，生成stl格式文件，再将生成的stl格式文件用三维制图软件打开，并导出fbx格式文件，通过3d引擎转化，制作三维数字化模型资源包，上传至云端服务器，分别形成人体3d模型库、手术空间环境3d模型库、手术流程所需器械及用品3d模型库；

步骤（3）、在计算机工作站上，按照脊柱假体置换手术流程和要求，应用人体模型、手术空间环境、各流程所需要的器械和用品图片的3d模型素材，制作模拟手术演示文件，并上传至云端服务器；

步骤（4）、在mr智能设备上加载模拟手术演示文件，在控制面板中控制演示系统自动演示手术过程，在手术演示过程中，可以通过控制面板对演示过程进行快进、后退、流程重复播放、暂停、标记、关闭的操作。

脊柱假体置换手术操作系统建立步骤：

步骤（1）和步骤（2）与脊柱假体置换手术演示系统的步骤（1）和步骤（2）相同；

步骤（3）、将人体模型、手术空间环境、各流程所需要的器械和用品的3d模型下载到mr智能设备上，并在显示面板中打开；

步骤（4）、在控制面板中控制操作系统，实施人按照手术流程提示，手动控制手术器械和用品，对在mr智能设备显示面板中显示的人体模型实施模拟手术，通过控制面板，可以实现对手术器械和用品3d模型的选取、移动、旋转、标记、按比例缩放、颜色调节功能的操作，还可以实现对人体模型的部位选取、移动、旋转、标记、按比例缩放、颜色调节功能的操作。

进一步的，所述脊柱假体置换手术操作系统的步骤(3),还可以将人体模型、手术空间环境、各流程所需要的器械和用品的3d模型下载到智能终端上，在智能终端上实现对人体模型、各流程所需要的器械和用品的3d模型的控制：

从云端服务器下载脊柱假体置换手术演示系统步骤（2）生成的人体模型、各流程所需要的器械和用品的3d模型到具有显示面板和控制面板功能的智能终端上，在显示面板上可以打开并显示人体模型、各流程所需要的器械和用品的3d模型，在控制面板上可以实现对手术器械和用品3d模型的选取、移动、旋转、标记、按比例缩放、颜色调节功能的操作，还可以实现对人体模型的部位选取、移动、旋转、标记、按比例缩放、颜色调节功能的操作，所述的智能终端通过无线网络连接并控制mr智能设备，可以实现对人体模型、各流程所需要的器械和用品的3d模型的精准控制。

基于混合现实技术的假体置换手术模拟系统，其组成包括：

假体数据云存储模块3：录入和存储各种参数的脊柱假体模型的图像和数据信息，所述假体数据云存储模块3包括假体3d建模单元31，假体3d模型图像及参数云存储单元32；

假体3d建模单元31：在计算机工作站2上建立假体3d建模单元31，单元内安装有逆向工程软件，设置有假体参数提取子单元311，通过逆向工程软件对三维激光扫描仪扫描假体表面得到的完整、连续的点进行后处理，得到假体三维模型，通过假体参数提取子单元311，获取假体参数，并将假体三维模型和假体参数传输到假体3d模型图像及参数云存储单元32；

假体3d模型图像及参数云存储单元32：将由假体3d建模单元31传输的假体3d模型图像及参数进行收录、整理和分类编号；搭建云端服务器1，在云端服务器1中建立假体3d模型图像及参数云存储单元32，所述假体3d模型图像及参数云存储单元32内分别设置颈椎假体子单元322，胸椎假体子单元323，腰椎假体子单元324，

骶骨假体子单元325、尾骨假体子单元326，收录到假体子单元内的假体模型会由编号处理器321分配编号；

3d模型构建模块4：在计算机工作站2上建立3d模型构建模块4，将二维的人体脊柱影像进行三维建模，3d模型构建模块4包括输入单元41、图像初级处理单元42、3d建模单元43和输出单元44，扫描人体脊柱形成的影像通过输入单元41传输到图像初级处理单元42，在图像初级处理单元42经过提取、划分和修正处理后，再将图像传递到3d建模单元43进行三维数字化模型转换，经过转化后形成的人体脊柱三维数字化模型经过输出单元44上传到云端服务器1，储存在人体脊柱三维数字化模型库7里；

mr智能设备5：用来加载、呈现、数据处理和控制三维数字化模型图像的载体，mr智能设备包括文件加载模块51、显示模块52、控制模块53、数据处理模块54和假体调取模块55；

所述加载模块51：用来加载三维数字化模型文件；

所述显示模块52：用来显示三维数字化模型及文字化信息；

所述控制模块53：用来控制三维数字化模型实现预期功能；

所述控制模块53包括“选取”控制单元、“删除”控制单元、“添加”控制单元、“等比例缩放”控制单元、“移动”控制单元、“旋转”控制单元、“颜色调节”控制单元、“部位标记”控制单元、“透明度增减”控制单元；

“选取”控制单元：选定该单元后，通过识别人手姿势实现三维数字化模型中各个组成部分的选取和定位；

“删除”控制单元：选定该单元后，通过识别人手姿势删除选中的目标组件；

“添加”控制单元：选定该单元后，通过识别人手姿势添加加载模块里的三维数字化模型；

“等比例缩放”控制单元：选定该单元后，选中基点，通过识别人手姿势实现三维数字化模型基于mr下的等比例放大或缩小；

“移动”控制单元：选定该单元后，通过识别人手姿势实现选中的三维数字化模型基于mr下的三维移动；

“旋转”控制单元：选定该单元后，通过识别人手姿势实现选中的三维数字化模型基于mr下的三维旋转；

“颜色调节”控制单元：选定该单元后，通过识别人手姿势实现三维数字化模型颜色的调整；

“部位标记”控制单元：选定该单元后，通过识别人手姿势实现三维数字化模型各部位的标记；

“透明度增减”控制单元：选定该单元后，通过识别人手姿势实现选中的三维数字化模型透明度的增加或减少；

所述数据处理模块54：用来计算需要置换的假体参数和模拟假体植入后的效果评估，计算出的需要置换的假体参数传递到假体调取模块55，所述数据处理模块54包括参数计算单元541和模拟分析单元542；

所述参数计算单元541：设计有能够测量并计算需要置换的部位的参数的算法程序，用来确定所需假体的参数，再将确定的假体参数传递到所述假体调取模块55；

所述模拟分析单元542：建立有能自动计算出假体模型与人体脊柱三维数字化模型上需要置换部位匹配度的计算程序，用来分析假体3d模型被植入人体脊柱三维数字化模型后，脊柱产生的形变，并对多个假体3d模型的植入效果进行分析对比；说明书附图7显示的是健康状态下的脊柱形态，附图8中，（1）图显示的是1号假体（比正常尺寸偏大）植入三维的患者脊柱病灶处，脊椎弧度及角度产生的形变效果，（2）图显示的是2号假体（正常尺寸）植入三维的患者脊柱病灶处，脊椎弧度及角度产生的形变效果，（3）图显示的是3号假体（比正常尺寸偏小）植入三维的患者脊柱病灶处，脊椎弧度及角度产生的形变效果；医生根据假体的植入效果，判断和选择合适的假体型号；

所述假体调取模块55：包含“搜索”子模块551、“调取”子模块552，根据置换所需的假体参数在假体3d模型图像及参数云存储单元32中搜索、调取置换所需的假体3d模型文件，并将该3d模型文件显示在显示模块52中；

二维码定位模块6：基于混合现实（mr）导航技术，辅助mr智能设备5中显示的人体脊柱三维数字化模型与患者病灶处快速定位，所述的二维码定位模块6包括二维码信息录入单元61，二维码信息筛选单元62，二维码信息生成单元63和二维码载体64；

所述的云端服务器1和所述的计算机工作站2采用无线网络连接，所述的计算机工作站2与所述的mr智能设备5采用无线网络连接，所述mr智能设备5通过无线网络与所述云端服务器1连接。

进一步的，所述的人体脊柱三维数字化模型和假体3d模型可以加载到智能终端上，所述的智能终端上设置有显示面板和控制面板，所述的控制面板上分别设置有“加载”、“删除”、“添加”、“缩放”、“移动”、“旋转”、“颜色调节”、“部位标记”、“透明度增减”功能模块，所述的智能终端通过无线网络连接所述的云端服务器和mr智能设备，并控制mr智能设备，可以实现对人体脊柱三维数字化模型的精准控制。

进一步的，在所述的云端服务器1上建立人体模型库模块8、手术空间环境3d模型库模块10、手术流程所需要的器械及用品3d模型库模块9；

在所述的mr智能设备5上建立手术信息模块58，用来存储脊柱假体置换手术操作流程信息和各流程所需要的器械和用品的使用要求和顺序信息；

所述的mr智能设备5上设置有脊柱假体置换手术演示系统56和操作系统57；

所述的演示系统56：包括用来显示手术流程及基于mr混合现实技术的手术内容的显示模块52和控制演示系统播放的演示系统控制模块53，演示系统控制模块53包括“加载”子模块、“快进”子模块、“后退”子模块、“重复播放”子模块、“选择”子模块、“暂停”子模块、“标记”子模块和“关闭”子模块；

所述操作系统57：包括用来显示手术流程及基于mr混合现实技术的手术内容的显示模块52和控制操作系统的控制模块53，操作系统控制模块53包括“加载”子模块、“选取”子模块、“移动”子模块、“旋转”子模块、“标记”子模块、“等比例缩放”子模块和“颜色调节”子模块。

进一步的，将人体模型库模块8、手术空间环境3d模型库模块10、手术流程所需要的器械及用品3d模型库模块9和手术信息模块58中的内容加载到智能终端上，所述的智能终端上设置有显示单元和控制单元，所述控制单元包括“加载”子模块、“选取”子模块、“移动”子模块、“旋转”子模块、“标记”子模块、“等比例缩放”子模块和“颜色调节”子模块，所述智能终端通过无线网络连接并控制mr智能设备5，可以实现对人体模型、各流程所需要的器械和用品的3d模型的精准控制。

进一步的，所述的二维码载体64，用来显示二维码图案，可以是纸质材料或金属板或塑料板。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精实质，都在本专利的保护范围内。