一种体外冲击波治疗股骨头坏死的虚拟仿真系统及装置的制作方法

1.本发明涉及虚拟仿真技术领域，尤其是涉及一种体外冲击波治疗股骨头坏死的虚拟仿真系统及装置
。


背景技术：

2.股骨头坏死（
osteonecrosis of the femoral head, onfh
）是一种常见的难治性
、
致残性骨科疾病
。
体外冲击波治疗（
extracorporeal shock wave therapy, eswt
）是无创治疗早期
onfh
的重要手段
。
3.目前，
eswt
普遍使用“痛点定位”的方法，操作不直观
、
定位不准确，直接影响
onfh
治疗效果及患者满意度
。
若在
eswt
操作过程中，增加
x
射线或b超定位技术，则会存在
x
射线反复透视，增加放射量损坏患者身体的问题；而b超技术又有一定的学习曲线，不容易熟练掌握，倘若增加专业b超医师协助治疗，又会增加人力成本；同时，这些定位技术只能实现一维或二维定位，无法实现三维实时定位，不够直观
。
4.虚拟现实（
vr
）
/
增强现实（
ar
）实时可视化仿真技术，已在骨科大手术或微创手术领域逐渐得到推广
。
如何将其运用至骨肌疾病冲击波领域成为业内亟待解决的一大课题
。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种体外冲击波治疗股骨头坏死的虚拟仿真系统及装置，以解决现有技术中存在的至少一种上述技术问题
。
6.第一方面，为解决上述技术问题，本发明提供一种体外冲击波治疗股骨头坏死的虚拟仿真系统，包括：三维重建模块
、
模拟操作模块
、
实时导航模块及冲击波治疗模块：所述三维重建模块，包括图像输入单元
、
模型重建单元：所述图像输入单元，用于输入某患者术前的髋关节图像；优选地，所述髋关节图像包括髋关节
ct
图像和
/
或
mri
图像，以便于进行采集；所述模型重建单元，基于髋关节图像，通过
ct
三维重建系统，例如
mimics 15.0
，构建髋关节模型；所述髋关节模型包括髋关节骨性及周围组织；所述髋关节骨性包括股骨标准点；优选地，所述构建髋关节模型的具体方法包括：将
dicom
格式的髋关节
t1wi
的
mri
图像导入至
mimics 15.0
；选定自动计算界定值作为阈值范围；在冠状面的视窗中选中具有不同灰度值的组织图像，逐层在组织图像中作蒙版编辑和空洞处理，得到分离的骨组织及软组织；任意选取股骨头上一点作区域增长，得到初始的股骨头蒙版；在矢状面和横断面，对各层图像进行逐层编辑，得到坏死区蒙版；选中股骨头蒙版和坏死区蒙版，运用
calculate 3d
和
smoothing
功能对股骨头及坏死区进行重建和光滑处理，分别建立髋关节中股骨头及坏死区的三维模型；优选地，所述股骨标准点可以包括髂前上棘
、
耻骨联合上缘中点
、
股骨内上髁
、
股骨外上髁
、
股骨头
、
大转子
、
小转子等，以便于进行股骨识别；
优选地，所述周围组织包括重要神经血管等结构，以便于兼顾手术对神经血管等的影响；所述模拟操作模块，包括器械仿真单元
、
冲击波模拟单元
、vr
交互单元
、
方案规划单元：所述器械仿真单元，存储有冲击波探头模型及手术床模型，并将髋关节模型通过坐标原点定位于手术床模型中，以构建虚拟术中场景；所述冲击波模拟单元，基于冲击波探头模型方位及冲击波参数，将冲击波效果数据加载至髋关节模型中；优选地，所述冲击波参数包括输出强度
、
输出频率
、
输出时间等，以便于评估不同强度
、
不同频率
、
不同时间下冲击波的治疗效果，从而制定最优的治疗方案；优选地，所述冲击波效果数据包括穿越通道
、
作用焦点位置
、
作用强度等，从而全面展示冲击波的影响程度，进而反映出冲击波的治疗效果；优选地，所述冲击波效果数据可通过冲击波治疗仪
、
应变片对模拟骨骼及软组织进行全参数冲击试验得到，以便模拟出真实的冲击波效果；优选地，冲击波效果可根据作用强度大小，以不同颜色呈现对被冲击物体的不同作用效果，以便直观地进行展示；所述
vr
交互单元，用于输出虚拟术中场景并输入虚拟操作指令，以便在虚拟术中场景中观察在不同的冲击波探头模型方位
、
髋关节模型方位及冲击波参数条件下产生的冲击波效果；所述方案规划单元，用于存储及调整治疗方案；所述治疗方案包括冲击波探头模型相对于髋关节模型的方位以及冲击波参数；所述实时导航模块，包括光学跟踪单元
、x
线采集单元
、ar
投影单元及冲击波可视化单元：所述光学跟踪单元，用于实时采集该患者术中体表的示踪贴位置；所述示踪贴布设于该患者术中的体表标志及体表标志连线中点等处；优选地，所述体表标志为人眼判定的股骨标准点在体表的对应位置，从而便于确定体表标志的具体位置；所述
x
线采集单元，用于采集该患者术中髋关节的
x
线图像；所述
x
线图像的内容包括示踪贴
、
股骨标准点及二者之间的相对位置等；优选地，所述
x
线图像的拍摄角度包括髋关节的正位及侧位，从而便于后序识别髋关节上的股骨标准点；所述
ar
投影单元，先通过股骨标准点将髋关节模型与
x
线图像进行配准至三维坐标系中，再通过示踪贴位置将
x
线图像与该患者术中体表配准至该三维坐标系中，再依据该三维坐标系将髋关节模型实时迭代投影至该患者术中体表；这样可以将该患者患肢位置的变化导致的示踪贴位置变化反馈至系统中，实时调整髋关节模型在该患者体表的位置，提高了投影准确性，并实时校准治疗时的患肢位置；所述冲击波可视化单元，基于方案规划单元存储的治疗方案中冲击波探头模型相对于髋关节模型的方位，将冲击波探头模型加载至
ar
投影单元并投影至该患者体表治疗位置处，用于指引冲击波探头至准确位置；
所述冲击波治疗模块，输出方案规划单元存储的治疗方案中的冲击波参数，以便对髋关节中股骨头坏死区域进行治疗
。
7.通过上述系统，可以将
vr、ar
及
eswt
技术相结合，实现可视化的冲击波治疗股骨头坏死手术的虚拟三维仿真效果，既可以为术者及患者在术前规划时提供参考，又有助于术者在术中调整
、
实施手术方案，监控手术进展
。
8.第二方面，基于相同的发明构思，本技术还提供了一种体外冲击波治疗股骨头坏死的虚拟仿真装置，包括处理器
、
存储器及总线，所述存储器存储可由处理器读取的指令及数据，所述处理器用于调用所述存储器中的指令及数据，以实现如上任一所述的体外冲击波治疗股骨头坏死的虚拟仿真系统，所述总线连接各功能部件之间传送信息
。
9.在一种可行的实施方式中，所述虚拟仿真装置还包括
vr
眼镜及
vr
手柄，用于输出虚拟术中场景并输入虚拟操作指令
。
10.在一种可行的实施方式中，所述虚拟仿真装置还包括
x
线设备，所述
x
线设备包括可进行周向转动的c形臂，所述c形臂的两端分别固定有
x
射线管及图像增强器，所述
x
射线管与所述图像增强器面对面设置，用于采集患者术中髋关节的
x
线图像，这种c形臂结构更适合对处于卧姿的患者进行拍摄
。
11.在一种可行的实施方式中，所述c形臂上还设置有冲击波探头，从而便于在虚拟仿真系统中定位冲击波探头模型，并在实际操作中移动冲击波探头对股骨头坏死区域进行治疗
。
12.在一种可行的实施方式中，所述虚拟仿真装置还包括光学追踪投影设备，所述光学追踪投影设备包括光学摄像头及
ar
投影仪：所述光学摄像头，用于实时采集该患者术中体表的示踪贴位置；所述
ar
投影仪，用于将髋关节模型及冲击波探头模型实时迭代投影至患者术中体表
。
13.在一种可行的实施方式中，所述
x
线设备及所述光学追踪投影设备倒置并可移动地固定于手术室顶部，以便减小占地面积，为术者提供充裕的操作空间
。
14.采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明提供的一种体外冲击波治疗股骨头坏死的虚拟仿真系统及装置，以参数化的髋关节三维模型为基础，构建可视化的冲击波治疗虚拟仿真系统，可以在术前模拟治疗操作，直观演示治疗效果，便于患者及术者准确评估坏死病灶，精确制定治疗方案；再以空间识别定位为基础，构建实时配准的增强现实术中环境，指导术者正确执行治疗方案，并可根据手术进程及实际情况，调整治疗方案；本方案可提高体外冲击波治疗股骨头坏死手术的易用性
、
精确性
、
安全性及稳定性
。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图
。
16.图1为本发明实施例提供的一种体外冲击波治疗股骨头坏死的虚拟仿真系统图；图2为本发明实施例提供的
ar
投影过程示意图；
图3为本发明实施例提供的指引冲击波探头至准确位置的具体过程流程图；图4为本发明另一实施例提供的一种体外冲击波治疗股骨头坏死的虚拟仿真装置布局图；图5为本发明实施例提供的
ar
投影效果示意图
。
17.附图标记：
1-悬臂；
2-冲击波探头；
3-图像增强器；
4-x
射线管；
5-光学追踪投影设备；
6-集成控制器；
7-患者术中体表；
8-髋关节模型；
9-冲击波探头模型
。
具体实施方式
18.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚
、
完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例
。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围
。
19.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位
、
以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制
。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性
。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通
。
对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义
。
21.为了便于理解本发明各个实施例，先就本发明构思简述如下：为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明以参数化的髋关节三维模型
、
手术床模型
、
冲击波探头模型为基础，构建可视化的冲击波治疗虚拟仿真系统，可以在术前模拟冲击波治疗操作，直观演示冲击波治疗效果，便于患者及术者准确评估髋关节中股骨头坏死病灶，精确制定体外冲击波治疗方案；再以空间识别定位为基础，构建实时配准的增强现实术中环境，将治疗方案中的冲击波探头模型实时投影至患者体表，指导术者正确执行治疗方案，还并可根据手术具体进程及实际情况，临时调整治疗方案；通过本方案，可提高体外冲击波治疗股骨头坏死手术的易用性
、
精确性
、
安全性及稳定性，缩短了术者利用体外冲击波技术治疗股骨头坏死手术的学习时间，减少了患者的放射性照射伤害
。
22.下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明
。
23.还需要说明的是，下述具体实施例或具体实施方式，是本发明为进一步解释具体的发明内容而列举的一系列优化的设置方式，而这些设置方式之间均是可以相互结合或者相互关联使用的
。
24.实施例一：如图1所示，本实施例提供了一种体外冲击波治疗股骨头坏死的虚拟仿真系统，包括：三维重建模块
、
模拟操作模块
、
实时导航模块及冲击波治疗模块：所述三维重建模块，包括图像输入单元
、
模型重建单元：
所述图像输入单元，用于输入某患者术前的髋关节图像；优选地，所述髋关节图像包括髋关节
ct
图像和
/
或
mri
图像，以便于进行采集；所述模型重建单元，基于髋关节图像，通过
ct
三维重建系统，例如
mimics 15.0
，构建髋关节模型；所述髋关节模型包括髋关节骨性及周围组织；所述髋关节骨性包括股骨标准点；优选地，所述构建髋关节模型的具体方法包括：将
dicom
格式的髋关节
t1wi
的
mri
图像导入至
mimics 15.0
；选定自动计算界定值作为阈值范围；在冠状面的视窗中选中具有不同灰度值的组织图像，逐层在组织图像中作蒙版编辑和空洞处理，得到分离的骨组织及软组织；任意选取股骨头上一点作区域增长，得到初始的股骨头蒙版；在矢状面和横断面，对各层图像进行逐层编辑，得到坏死区蒙版；选中股骨头蒙版和坏死区蒙版，运用
calculate 3d
和
smoothing
功能对股骨头及坏死区进行重建和光滑处理，分别建立髋关节中股骨头及坏死区的三维模型；优选地，所述股骨标准点包括髂前上棘
、
耻骨联合上缘中点
、
股骨内上髁
、
股骨外上髁
、
股骨头
、
大转子
、
小转子等，以便于进行股骨识别；优选地，所述周围组织包括重要神经血管等结构，以便于兼顾手术对神经血管等的影响；所述模拟操作模块，包括器械仿真单元
、
冲击波模拟单元
、vr
交互单元
、
方案规划单元：所述器械仿真单元，存储有冲击波探头模型及手术床模型，并将髋关节模型通过坐标原点定位于手术床模型中，以构建虚拟术中场景；所述冲击波模拟单元，基于冲击波探头模型方位及冲击波参数，将冲击波效果数据加载至髋关节模型中；优选地，所述冲击波参数包括输出强度
、
输出频率
、
输出时间等，以便于评估不同强度
、
不同频率
、
不同时间下冲击波的治疗效果，从而制定最优的治疗方案；优选地，所述冲击波效果数据包括穿越通道
、
作用焦点位置
、
作用强度等，从而全面展示冲击波的影响程度，进而反映出冲击波的治疗效果；优选地，所述冲击波效果数据可通过冲击波治疗仪
、
应变片对模拟骨骼及软组织进行全参数冲击试验得到，以便模拟出真实的冲击波效果；优选地，冲击波效果可根据作用强度大小，以不同颜色呈现对被冲击物体的不同作用效果，以便直观地进行展示；所述
vr
交互单元，用于输出虚拟术中场景并输入虚拟操作指令，以便在虚拟术中场景中观察在不同的冲击波探头模型方位
、
髋关节模型方位及冲击波参数条件下产生的冲击波效果；所述方案规划单元，用于存储及调整治疗方案；所述治疗方案包括冲击波探头模型相对于髋关节模型的方位以及冲击波参数；所述实时导航模块，包括光学跟踪单元
、x
线采集单元
、ar
投影单元及冲击波可视化单元：所述光学跟踪单元，用于实时采集该患者术中体表的示踪贴位置；所述示踪贴布设于该患者术中的体表标志及体表标志连线中点等处；
优选地，所述体表标志为人眼判定的股骨标准点在体表的对应位置，从而便于确定体表标志的具体位置；所述
x
线采集单元，用于采集该患者术中髋关节的
x
线图像；所述
x
线图像的内容包括示踪贴
、
股骨标准点及二者之间的相对位置；优选地，所述
x
线图像的拍摄角度包括髋关节的正位及侧位，从而便于后序识别髋关节上的股骨标准点；所述
ar
投影单元，先通过股骨标准点将髋关节模型与
x
线图像进行配准至三维坐标系中，再通过示踪贴位置将
x
线图像与该患者术中体表配准至该三维坐标系中，最终依据该三维坐标系将髋关节模型实时迭代投影至该患者术中体表；这样由股骨标准点建立起髋关节模型与
x
线图像之间的相对位置关系，由示踪贴位置建立起
x
线图像与该患者术中体表之间的相对位置关系，从而建立起髋关节模型与患者术中体表之间的相对位置关系，并以三维坐标系为载体进行投影，通过这种方法可以将该患者患肢位置的变化导致的示踪贴位置变化反馈至系统中，实时调整髋关节模型在该患者体表的投影位置，提高了投影准确性和及时性，并可实时校准治疗时的患肢位置，如图2所示；优选地，具体配准过程可通过现有配准模型，例如
gan
模型，进行反馈迭代配准计算；所述冲击波可视化单元，基于方案规划单元存储的治疗方案中冲击波探头模型相对于髋关节模型的方位，将冲击波探头模型加载至
ar
投影单元并投影至该患者体表治疗位置处，用于指引冲击波探头至准确位置；优选地，如图3所示，指引冲击波探头至准确位置的具体过程可以为：基于方案规划单元存储的该患者治疗方案中冲击波探头模型相对于髋关节模型的方位，将冲击波探头模型加载至
ar
投影单元的三维坐标系中并投影至患者体表治疗位置处；术者目视判断真实冲击波探头的方位与投影中冲击波探头模型是否重合匹配：若是，则治疗准备就绪；若否，术者调整真实冲击波探头的方位，直至与投影中冲击波探头模型重合匹配；特别的，当术中出现临时情况，而调整了患者患肢术中方位时，需重复上述指引冲击波探头至准确位置的具体过程，直至真实冲击波探头的方位与投影中冲击波探头模型再次重合匹配；在其他实施例中，还可以包括自动判定单元，用于自动判定真实冲击波探头方位是否与投影在患者体表的冲击波探头模型方位重合匹配：若匹配，则生成准备就绪提示信息；若不匹配，则生成未准备就绪提示信息；这样可以机器辅助判定真实冲击波探头方位与投影在患者体表的冲击波探头模型方位重合匹配情况；优选地，自动判定单元的判定方法具体包括：在真实冲击波探头上添加若干标记贴；由光学跟踪单元采集标记贴的方位信息，得到冲击波探头的实际方位发送至
ar
投影单元；
ar
投影单元依据标记贴与若干示踪贴的相对方位，将冲击波探头的实际方位配准至三维坐标系后发送至自动判定单元；自动判定单元将三维坐标系中冲击波探头的实际方位数据与冲击波探头模型的方位数据进行比较判定二者是否重合匹配；所述冲击波治疗模块，输出方案规划单元存储的治疗方案中的冲击波参数，以便对髋关节中的股骨头坏死区域进行治疗
。
25.通过上述系统，可以将
vr、ar
及
eswt
技术相结合，实现可视化的冲击波治疗股骨头坏死手术的虚拟三维仿真效果，既可以为术者及患者在术前规划时提供参考，又有助于术者在术中调整
、
实施手术方案，监控手术进展
。
26.实施例二：如图4所示，本实施例提供了一种体外冲击波治疗股骨头坏死的虚拟仿真装置，主要包括：悬臂
1、
冲击波探头
2、
图像增强器
3、x
射线管
4、
光学追踪投影设备5及集成控制器6：所述悬臂1吊装于手术室顶部；所述悬臂1上可滑动地吊装有c形臂及光学追踪投影设备5：所述c形臂可在一定范围内进行周向转动，所述c形臂的两端分别固定有
x
射线管4及图像增强器3，所述
x
射线管4与所述图像增强器3面对面设置，用于采集患者术中髋关节的
x
线图像，这种c形臂结构更适合对手术床上处于卧姿的患者进行髋关节拍摄；所述c形臂的中部设置有冲击波探头2的本体，这样便于计算冲击波探头2相对于手术床的位置，从而有利于在虚拟仿真系统中定位冲击波探头模型；同时，冲击波探头2靠近手术床（位于c形臂中央，图中未示出），便于在实际操作中移动及操控冲击波探头进行治疗；所述光学追踪投影设备5包括光学摄像头及
ar
投影仪：所述光学摄像头，用于实时采集该患者术中体表的示踪贴位置；如图5所示，所述
ar
投影仪，用于将髋关节模型8及冲击波探头模型9实时迭代投影至患者术中体表7；所述光学追踪投影设备
5、
所述图像增强器3及所述冲击波探头2与所述集成控制器6电连接，用于将数据及指令进行传输；所述集成控制器6，包括处理器
、
存储器及总线：所述存储器存储可由处理器读取的指令及数据，所述处理器用于调用所述存储器中的指令及数据，以实现本技术所述的体外冲击波治疗股骨头坏死的虚拟仿真系统；所述集成控制器6可与
vr
眼镜及
vr
手柄无线连接，用于展示虚拟术中场景并输入虚拟操作指令
。
27.本方案在又一种实施方式下，可以通过设备的方式来实现，该设备可以包括执行上述各个实施方式中各个或几个步骤的相应模块
。
模块可以是专门被配置为执行相应步骤的一个或多个硬件模块
、
或者由被配置为执行相应步骤的处理器来实现
、
或者存储在计算机可读介质内用于由处理器来实现
、
或者通过某种组合来实现
。
28.处理器执行上文所描述的各个方法和处理
。
例如，本方案中的方法实施方式可以被实现为软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储器
。
在一些实施方式中，软件程序的部分或者全部可以经由存储器和
/
或通信接口而被载入和
/
或安装
。
当软件程序加载到存储器并由处理器执行时，可以执行上文描述的方法中的一个或多个步骤
。
备选地，在其它实施方式中，处理器可以通过其他任何适当的方式
(
例如，借助于固件
)
而被配置为执行上述方法之一
。
29.该设备可以利用总线架构来实现
。
总线架构可以包括任何数量的互连总线和桥接器，这取决于硬件的特定应用和总体设计约束
。
总线将包括一个或多个处理器
、
存储器和
/
或硬件模块的各种电路连接到一起
。
总线还可以将诸如外围设备
、
电压调节器
、
功率管理电路
、
外部天线等的各种其它电路连接
。
30.总线可以是工业标准体系结构
(isa
，
industry standard architecture)
总线
、
外部设备互连
(pci
，
peripheral component)
总线或扩展工业标准体系结构
(eisa
，
extended industry standard component)
总线等，总线可以分为地址总线
、
数据总线
、
控制总线等
。
31.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围
。