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

本发明涉及虚拟仿真，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、所述三维重建模块，包括图像输入单元、模型重建单元：

4、所述图像输入单元，用于输入某患者术前的髋关节图像；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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；

9、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；

10、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：

11、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；

12、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；

13、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；

14、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；

15、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；

16、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；

17、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；

18、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；

19、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：

20、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；

21、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；

22、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；

23、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；

24、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；

25、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；

26、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。

27、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。

28、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。

29、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。

30、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。

31、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。

32、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。

33、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。

34、采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

35、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。