一种肝脏肿瘤热消融手术的术前辅助装置的制作方法

本发明属于临床医学技术领域，尤其涉及一种肝脏肿瘤热消融手术的术前辅助装置。

背景技术：

目前对于临床上的肝脏热消融手术，医生在进行术前规划时，往往只能依靠超声、计算机断层摄片术(Computed tomography,CT)、磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)等二维影像资料来进行对肝脏病灶的观察，而这些二维影像资料提供的只是一系列分离的图像，医生只能依靠自身临床经验，结合二维影像资料在脑海中构建出病灶三维影像信息，这种方法极度依赖医生的个人经验和技能，且不同医生的思维方式难免有偏差。医生主观预断病灶的位置和病灶恶化情况进而进行相应的术前规划，缺乏直观、准确的分析。一旦病灶位置预断有误，或者对病灶恶化情况的判断有偏差，相应的术前规划也将出错，进而导致手术过程不顺利，最终的手术效果达不到预期,治疗效果不佳，手术进行得不彻底而影响疗效甚至发生严重并发症，给病人带来不必要的痛苦。

综上所述，目前的热消融治疗术前规划依赖医生的技能，主观性较强，这是现有技术的缺点，主要是因为单纯的使用二维影像，没有对其进行三维建模，直接影响热消融手术的疗效。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提出了一种肝脏肿瘤热消融手术的术前辅助装置。本发明将由计算机对一系列二维图像进行处理得到的三维病灶模型展示在虚拟现实环境中，由医生佩戴上VR设备进入虚拟现实环境中，全方位立体观察病灶三维模型，并可通过手柄对模型进行位移、放大、缩小、旋转等操作，从而对病灶重点位置进行分析和观察。本发明还提供模拟手术操作功能，医生在虚拟现实空间中，利用操作手柄模拟手术器械对三维病灶模型进行模拟手术操作，系统能捕捉到模拟手术中的操作过程，对错误的操作进行警告和提示，并在模拟手术完成后对操作结果进行分析和评估。辅助医生在术前做好充分的手术准备。

本发明为解决目前的热消融治疗术前规划依赖医生的经验及技能，主观性较强，直接影响热消融手术疗效的技术问题而提供一种结构简单、安装使用方便、提高工作效率的肝脏肿瘤热消融手术的术前辅助装置。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

本发明提供的肝脏肿瘤热消融手术的术前辅助装置，所述肝脏肿瘤热消融手术的术前辅助装置设置有：

头戴VR显示器；

所述头戴VR显示器上安装有头戴入耳式耳机；

至少一个定位器；

至少一个操控手柄；

定位器、操控手柄与电脑无线连接。

进一步，所述头戴VR显示器的USB接口通过USB线与连接盒的USB接口连接；头戴VR显示器的HDMI接口通过HDMI线与连接盒的HDMI接口连接；头戴VR显示器的电源接口通过电源线与连接盒的电源接口连接。

进一步，所述电脑的USB接口通过USB线与连接盒的USB接口连接；电脑的HDMI接口通过HDMI线与连接盒的HDMI接口连接；电脑的电源接口通过电源线与连接盒的电源接口连接。

进一步，电源通过电源线与连接盒和电脑的电源接口连接。

进一步，所述定位器通过电源线与电源连接。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述的术前辅助装置的术前分析方法，所述术前分析方法为：

将由计算机处理后得到的三维病灶模型导入Unity3D引擎中，经由Unity3D引擎对病灶模型进行处理：

第一、对病灶各个组成部分：肝脏外表面，肿瘤、血管、动脉、胆囊进行单独染色，添加材质以表现出接近真实的外观效果；

第二、在Unity3D引擎中添加控制程序，在程序中接入VR手柄的程序接口，对VR手柄上按键的按压、触碰、扣动操作进行捕捉和定义；

第三、利用unity3D引擎构建手术规划及模拟手术的平台将三维病灶模型数据输入到Unity3D引擎中，利用Unity3D引擎搭建模拟手术平台，在其中对肝脏器官、肝脏中的肿瘤、肝脏中的主要血管、动脉单独添加碰撞体，以检测VR手柄对其进行触碰的操作，并在虚拟空间中对手术器械进行建模，构建出手术器械的三维模型，以使得医生可以将VR手柄在虚拟现实空间中模拟成手术器械进行手术操作，然后，在Unity3D引擎中对VR手柄操作进行捕捉，并根据预先设定，对捕捉到的操作进行分析并给出反馈，就组成了模拟手术系统；在模拟手术过程中，模拟手术系统会对医生进行的操作提供即时反馈，对错误或有风险的操作步骤进行警告提醒，同时在术后，根据医生在手术中的正确及错误操作步骤，对设备的操作精准程度，手术完成时间进行综合，参照真实手术中的各项规范和要求，对医生模拟手术的效果进行评估。

本发明具有的优点和积极效果是：由于本发明相比传统操作复杂的电脑软件，VR设备的使用更为便捷，只需要掌握手柄的简单操作，即可在虚拟现实环境中实现触摸，使用模拟手术刀等工具的功能，步骤简单；肝癌热消融手术的术前辅助系统的展现形式是纯数字化的，因此对于同一个病人的影像数据，医生可以在系统的辅助下多次设计规划不同的手术方案，并进行模拟手术，选出其中较为合理的方案，提高手术的成功率；相比传统的二维影像图片，虚拟现实中的医学影像更为真实，医生可以从多角度全方位的对病人的影像数据进行诊断和分析，同时，虚拟现实技术可以实现医生和影像数据之间的交互。

附图说明

图1是本发明实施例提供的肝脏肿瘤热消融手术的术前辅助装置结构示意图；

图中：1、头戴VR显示器；2、头戴入耳式耳机；3、连接盒；4、定位器；5、电源；6、电脑；7、操控手柄。

图2是本发明实施例提供的肝脏肿瘤热消融手术的术前辅助装置的使用方法流程图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的肝脏肿瘤热消融手术的术前辅助装置包括：头戴VR显示器1、头戴入耳式耳机2、连接盒3、定位器4、电源5、电脑6、操控手柄7。

头戴VR显示器1上安装有头戴入耳式耳机2，头戴VR显示器1和头戴入耳式耳机2通过串流盒3与电脑6连接；头戴VR显示器1的USB接口通过USB线与连接盒3的USB接口连接，头戴VR显示器1的HDMI接口通过HDMI线与连接盒3的HDMI接口连接，头戴VR显示器1的电源接口通过电源线与连接盒3的电源接口连接；电脑6的USB接口通过USB线与连接盒3的USB接口连接，电脑6的HDMI接口通过HDMI线与连接盒3的HDMI接口连接，电脑6的电源接口通过电源线与连接盒3的电源接口连接，电源5通过电源线与连接盒3和电脑6的电源接口连接，定位器4通过电源线与电源5连接；定位器4、操控手柄7与电脑无线连接。

定位器4之间通过红外线进行目标追踪；操控手柄7在使用前事先充好电。至于具体位置，两个定位器4位于虚拟房间的对角线上，操控手柄7由医生进行操作进而控制虚拟环境中的肝脏的移动、旋转等操作。

医生戴上头戴式装置，完全置身于构建的虚拟房间中，通过操控手柄，可以对重建的三维肝脏模型进行旋转、拉近、放大等一系列操作，近距离地观察病人肝脏，找出肿瘤的准确位置，进而采用热消融方法对其进行消除。在此过程中，操控手柄中的感应器还会通过定位器追踪并定位医生当前在虚拟房间中的位置。与此同时，在模拟手术过程中，系统会对医生进行的操作提供即时反馈，对错误或有风险的操作步骤进行警告提醒，同时对医生的模拟手术效果进行评估。若评估效果一般，则表明该术前规划不合理，应该重新进行术前规划；若评估效果良好，则表明该术前规划合理。至此，可以根据病人的病情进行合理的术前规划。

本发明的具体流程如图2所示，具体步骤如下：

(1)医学影像数据传入接口：本系统使用eFilm Workstation(Version 2.0.1)医学图像处理软件对来自CT或MRI的数据进行预处理，人工分割出不同增强时相的二维图像数据集，从而建立正常的影像坐标系将CT、MRI、PET等扫描的医学影像导入计算机。

(2)肝脏三维建模：运用计算机图像处理技术，将获得的二维医学影像，在三维空间上重建出立体的三维图像。三维建模主要分四步：第一，数据符合处理系统用于对采集的二维图像数据进行符合处理，获取重建所需的前向投影数据；第二，采用迭代重建算法OSEM对数据进行重建，获取多组重建数据；第三，系统几何偏移向量的获取；第四，除初始角度重建结果外，其他角度的重建数据以逆系统旋转方向旋转一定角度。至此，实现了三维建模。

(3)医学影像模型虚拟现实化输出：首先利用Unity3D创建一个三维的虚拟房间，然后将三维体素级别的医学影像导入Unity3D引擎中，由计算机生成肝脏的实时动态的三维立体逼真图像。对各个部分进行建模和优化，同时提供在三维视图中对路径调整的交互式方法，包括进退针的沿针轴向调整、目标点旋转的路径调整、多针组合的平移调整，让医生不仅可以通过显示器观看图像，更可以在虚拟现实的环境中更真实近距离的观察图像，并与图像进行交互。

(4)真实病人影像的手术规划和模拟手术：使用unity3D引擎构建手术规划及模拟手术的平台，将虚拟现实化的病人数据输入，其中，系统支持的虚拟现实设备为HTC VIVE。HTC VIVE包括两个手持体感手柄、两个手柄充电器，两个定位器、两个定位器电源线、两个定位器同步数据线，一个配备前置相机与电话的头戴式装置，一个USB数据线、一个信号连接盒、一个连接盒电源线，以及一个HDMI连接线。

在进行手术模拟之前，首先需要搭建HTC VIVE体验平台。具体步骤如下：

1、确定定位器位置并安装：将两个定位器分别置于步骤(3)创建的虚拟房间的对角，利用两个三脚架将两个定位器安装在离地2米以上的位置，并将其向下倾斜30度。两个定位器分别通过定位器电源线接至插座，定位器同步数据线仅在定位器同步出现问题时才需使用。

2、头戴式装置与电脑的连接：将头戴式装置的三合一连接线接至信号连接盒的橙色端，信号连接盒的黑色端包括电源、USB、HDMI以及Mini DisplayPort。其中，电源端口通过连接盒电源线接至插座，USB接口通过USB数据线接至电脑的USB接口，HDMI接口通过HDMI连接线接至电脑显卡的HDMI端口，如果电脑没有可用的HDMI端口，可以通过将Mini DisplayPort口接至DisplayPort数据线，从而将信号连接盒接至电脑。

3、两个手持体感手柄在使用前需要充电。

4、上述平台搭建好以后，需要进行定位器的设置，确保一个定位器的频道为b，另一个为c，若两个定位器的状态指示灯均为绿色，表明设置成功。

本发明将由计算机处理后得到的三维病灶模型导入Unity3D引擎中，经由Unity3D引擎对病灶模型进行处理：

1、对病灶各个组成部分：肝脏外表面，肿瘤、血管、动脉、胆囊进行单独染色，添加材质以表现出接近真实的外观效果；

2、在Unity3D引擎中添加控制程序，在程序中接入VR手柄的程序接口，对VR手柄上按键的按压、触碰、扣动操作进行捕捉和定义。医生戴上VR头戴式显示设备进入到虚拟现实空间后，通过操作VR手柄上的按钮、触摸板、扳机对模型进行位移、放大、缩小、旋转等操作，从而方便医生对病灶重点位置进行分析和观察；

3、利用unity3D引擎构建手术规划及模拟手术的平台：将三维病灶模型数据输入到Unity3D引擎中，利用Unity3D引擎搭建模拟手术平台，在其中对肝脏器官、肝脏中的肿瘤、肝脏中的主要血管、动脉单独添加碰撞体，以检测VR手柄对其进行触碰的操作，并在虚拟空间中对手术器械进行建模，构建出手术器械的三维模型，以使得医生可以将VR手柄在虚拟现实空间中模拟成手术器械进行手术操作，然后，在Unity3D引擎中对VR手柄操作进行捕捉，并根据预先设定，对捕捉到的操作进行分析并给出反馈，这样，就组成了模拟手术系统。在模拟手术过程中，模拟手术系统会对医生进行的操作提供即时反馈，对错误或有风险的操作步骤进行警告提醒，同时在术后，根据医生在手术中的正确及错误操作步骤，对设备的操作精准程度，手术完成时间进行综合，参照真实手术中的各项规范和要求，对医生模拟手术的效果进行评估。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。