本發(fā)明屬于術(shù)前輔助技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種微創(chuàng)心臟外科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)虛擬現(xiàn)實模擬方法。

背景技術(shù)：

病率和死亡率都非常高，根據(jù)《中國心血管病報告》：我國心血管病患病率處于持續(xù)上升階段，全國估計有心血管病患者2.9億，且其死亡率極高，2014年，全國每5個死亡人中，就有2個死于心血管病。但是與一般腫瘤手術(shù)的治療相比，心血管病在得到有效的手術(shù)治療后效果顯著：術(shù)前癥狀很重的病人，手術(shù)后的改變是立竿見影。而為了保證手術(shù)的順利進行，合理可靠的術(shù)前規(guī)劃是必不可少的。目前臨床上微創(chuàng)心臟外科治療主要依據(jù)超聲、計算機斷層攝片術(shù)(Computed tomography，CT)、磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)等二維影像資料進行術(shù)前規(guī)劃，然而二維影像顯示方法僅能提供一系列獨立間斷的二維信息，相鄰掃描層面間的組織毗連關(guān)系無法直接觀察，醫(yī)生只能通過觀察一組CT、MRI的二維切片圖像，依賴自身臨床經(jīng)驗去發(fā)現(xiàn)病變結(jié)構(gòu)，主觀預(yù)斷病灶的位置和病灶惡化情況進而進行相應(yīng)的術(shù)前規(guī)劃，缺乏直觀、定量的分析。一旦病灶位置預(yù)斷有誤，或者對病灶惡化情況的判斷有偏差，相應(yīng)做的術(shù)前規(guī)劃也將出錯，進而導(dǎo)致手術(shù)過程不順利，最終的手術(shù)效果達不到預(yù)期，治療效果不佳，手術(shù)進行得不徹底而影響療效甚至發(fā)生嚴重并發(fā)癥，給病人帶來不必要的痛苦。而目前的微創(chuàng)心臟外科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃嚴重依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗及技能，主觀性較強，直接影響手術(shù)的療效及病人的術(shù)后康復(fù)。

綜上所述，目前的微創(chuàng)心臟外科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃嚴重依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗及技能，主觀性較強。若醫(yī)生經(jīng)驗不足，在手術(shù)過程中對心臟病灶處情況判斷不夠準確，則手術(shù)過程不會十分順利，手術(shù)進行得不徹底，導(dǎo)致手術(shù)效果不佳；手術(shù)過程中為摸清病灶真實情況，可能會對心臟進行多次開刀操作，使得病人身體承受過多傷害，直接影響手術(shù)的療效及病人的術(shù)后康復(fù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種微創(chuàng)心臟外科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)虛擬現(xiàn)實模擬方法，旨在解決目前的微創(chuàng)心臟外科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃主要靠對心臟病灶二維CT圖像的觀察，由醫(yī)生根據(jù)自身經(jīng)驗對病情進行判斷和預(yù)估，嚴重依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗及技能，主觀性較強，直接影響手術(shù)的療效及病人的術(shù)后康復(fù)的問題。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種微創(chuàng)心臟外科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)虛擬現(xiàn)實模擬方法，利用VR設(shè)備提供的虛擬環(huán)境，讓醫(yī)生在虛擬空間中對病變心臟的三維模型進行全方位觀察，以方便醫(yī)生對病人病情有充分足夠的了解；利用VR設(shè)備在虛擬空間中進行的模擬手術(shù)操作平臺，方便醫(yī)生在術(shù)前進行模擬手術(shù)以實現(xiàn)更為具體的術(shù)前規(guī)劃。所述微創(chuàng)心臟外科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)虛擬現(xiàn)實模擬方法包括以下步驟：

步驟一，使用eFilm Workstation醫(yī)學(xué)圖像處理軟件對來自CT或MRI的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，人工分割出不同增強時相的二維圖像數(shù)據(jù)集，建立正常的影像坐標系將CT、MRI、PET掃描的醫(yī)學(xué)影像導(dǎo)入計算機；

步驟二，運用計算機圖像處理技術(shù)，將獲得的二維醫(yī)學(xué)影像，進行二維到三維的轉(zhuǎn)換處理，在三維空間上重建出立體的三維圖像；

步驟三，將二維體素級別的醫(yī)學(xué)影像導(dǎo)入Unity3D引擎中，由計算機進行二維圖像至三維圖像的轉(zhuǎn)換，生成實時動態(tài)的三維立體圖像；根據(jù)三維立體圖像中各個部分的灰度值不同，對三維立體圖像進行分割，以分割出不同的部分，再對分割出來的不同部分進行單獨染色處理，以示區(qū)別；

步驟四，使用unity3D引擎構(gòu)建手術(shù)規(guī)劃及模擬手術(shù)的平臺：將虛擬現(xiàn)實化的病人數(shù)據(jù)輸入到Unity3D引擎中，利用Unity3D引擎搭建模擬手術(shù)平臺，在其中對心臟器官、心臟中的病變位置、心臟中的主要血管單獨添加碰撞體，以檢測手柄對其進行的操作，并在虛擬空間中對手術(shù)器械進行建模，以使得醫(yī)生可以利用VR手柄在虛擬現(xiàn)實空間中模擬手術(shù)器械，然后，在Unity3D引擎中對手柄操作進行捕捉，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定，對捕捉到的操作進行分析并給出反饋，這樣，就組成了模擬手術(shù)系統(tǒng)。在模擬手術(shù)過程中，模擬手術(shù)系統(tǒng)會對醫(yī)生進行的操作提供即時反饋，對錯誤或有風(fēng)險的操作步驟進行警告提醒，同時在術(shù)后，根據(jù)醫(yī)生在手術(shù)中的正確及錯誤操作步驟，對設(shè)備的操作精準程度，手術(shù)完成時間進行綜合，參照真實手術(shù)中的各項規(guī)范和要求，對醫(yī)生模擬手術(shù)的效果進行評估。

進一步，所述三維建模具體包括：

(1)數(shù)據(jù)符合處理系統(tǒng)用于對采集的二維圖像數(shù)據(jù)進行符合處理，獲取重建所需的前向投影數(shù)據(jù)；

(2)采用迭代重建算法OSEM對數(shù)據(jù)進行重建，獲取多組重建數(shù)據(jù)；

(3)系統(tǒng)幾何偏移向量的獲??；

(4)除初始角度重建結(jié)果外，其他角度的重建數(shù)據(jù)以逆系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)一定角度，實現(xiàn)三維建模。

進一步，所述步驟三中在三維視圖中模擬手術(shù)過程的交互式方法，包括通過使用VR手柄模擬出的手術(shù)器械在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中對病變器官開刀位置的選擇進而實現(xiàn)對切口位置的選擇，通過控制VR手柄在切開器官過程中的移動路徑長短實現(xiàn)對切口大小進行調(diào)整，通過觸摸VR手柄上的二維觸摸圓盤，對醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的位置和視野進行調(diào)整，通過扣動VR手柄上的扳機按鈕實現(xiàn)對模擬手術(shù)器械的使用。

進一步，所述步驟四具體包括：

首先，醫(yī)生根據(jù)病人的真實病況，通過病人心臟病灶的模擬3D模型對手術(shù)進行術(shù)前規(guī)劃；

然后利用VR眼鏡在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中通過控制手柄進行模擬手術(shù)，在模擬手術(shù)過程中，系統(tǒng)會對醫(yī)生進行的操作提供即時反饋，對錯誤或有風(fēng)險的操作步驟進行警告提醒，同時在術(shù)后對醫(yī)生的模擬手術(shù)效果進行評估；若評估效果一般，則表明該術(shù)前規(guī)劃不合理，應(yīng)該重新進行術(shù)前規(guī)劃；若評估效果良好，則表明該術(shù)前規(guī)劃合理。

本發(fā)明提供的微創(chuàng)心臟外科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)虛擬現(xiàn)實模擬方法，能夠在術(shù)前通過虛擬現(xiàn)實環(huán)境進行詳細的術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)模擬。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點：

(1)相比傳統(tǒng)操作復(fù)雜的電腦軟件，VR設(shè)備的使用更為便捷，無需專門的培訓(xùn)，只需要對頭戴式顯示器的配戴進行短暫的適應(yīng)，掌握手柄的簡單操作，即可在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中實現(xiàn)觸摸，使用模擬手術(shù)刀等工具的功能，步驟簡單；

(2)微創(chuàng)心臟外科手術(shù)的術(shù)前輔助系統(tǒng)的展現(xiàn)形式是純數(shù)字化的，因此對于同一個病人的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，術(shù)前規(guī)劃系統(tǒng)能幫助醫(yī)生在術(shù)前就能直觀地獲取病人心臟三維立體模型，根據(jù)模型呈現(xiàn)出的病灶大小，位置，嚴重情況，制定合理的手術(shù)計劃，使得在實施手術(shù)過程中能達到最佳的效果。

(3)相比傳統(tǒng)的二維醫(yī)學(xué)影像圖片，虛擬現(xiàn)實中呈現(xiàn)出的的三維醫(yī)學(xué)影像模型更為真實，醫(yī)生可以多角度、全方位地對病人的影像數(shù)據(jù)進行診斷和分析，同時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以實現(xiàn)醫(yī)生和三維影像數(shù)據(jù)之間的交互。

(4)通過在三維模型中顯示病變器官的病灶大小數(shù)據(jù)，病灶在器官中的深度值，病灶與器官中主要血管的距離值，幫助醫(yī)生量化術(shù)前規(guī)劃中依靠個人經(jīng)驗技能判定的不確定參數(shù)；在虛擬現(xiàn)實場景中，能通過對病人心臟三維模型的還原，顯示出心臟內(nèi)部的血管分布和病灶位置及大小，即在虛擬環(huán)境中清晰觀察到正常情況下難以直接觀察到的組織器官；并提供模擬手術(shù)平臺，讓醫(yī)生在手術(shù)前利用VR設(shè)備進入虛擬手術(shù)場景中提前進行模擬手術(shù)，讓醫(yī)生在模擬手術(shù)過程中對手術(shù)風(fēng)險，難易程度進行評估。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的微創(chuàng)心臟外科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)虛擬現(xiàn)實模擬方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實施例提供的實施例1的流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的微創(chuàng)心臟外科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)虛擬現(xiàn)實模擬方法包括以下步驟：

S101:使用eFilm Workstation醫(yī)學(xué)圖像處理軟件對來自CT或MRI的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，人工分割出不同增強時相的二維圖像數(shù)據(jù)集，建立正常的影像坐標系將CT、MRI、PET等掃描的醫(yī)學(xué)影像導(dǎo)入計算機；

S102：運用計算機圖像處理技術(shù)，將獲得的二維醫(yī)學(xué)影像，在三維空間上重建出立體的三維圖像；

S103：將二維體素級別的醫(yī)學(xué)影像導(dǎo)入Unity3D引擎中，由計算機進行二維圖像至三維圖像的轉(zhuǎn)換，生成實時動態(tài)的三維立體圖像；對三維立體圖像的各個部分進行分割、建模和渲染；

S104：使用unity3D引擎構(gòu)建手術(shù)規(guī)劃及模擬手術(shù)的平臺，將虛擬現(xiàn)實化的病人數(shù)據(jù)輸入，在模擬手術(shù)過程中，系統(tǒng)會對醫(yī)生進行的操作提供即時反饋，對錯誤或有風(fēng)險的操作步驟進行警告提醒，同時在術(shù)后對醫(yī)生的模擬手術(shù)效果進行評估。

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的應(yīng)用原理作進一步的描述。

實施例1：

本發(fā)明實施例提供的微創(chuàng)心臟外科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃及手術(shù)虛擬現(xiàn)實模擬方法具體包括以下步驟：

(1)醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)傳入：本系統(tǒng)使用eFilm Workstation(Version 2.0.1)醫(yī)學(xué)圖像處理軟件對來自CT或MRI的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，人工分割出不同增強時相的二維圖像數(shù)據(jù)集，從而建立正常的影像坐標系將CT、MRI、PET等掃描的醫(yī)學(xué)影像導(dǎo)入計算機；

(2)三維建模：運用計算機圖像處理技術(shù)，將獲得的二維醫(yī)學(xué)影像，在三維空間上重建出立體的三維圖像。三維建模主要分四步：第一，數(shù)據(jù)符合處理系統(tǒng)用于對采集的二維圖像數(shù)據(jù)進行符合處理，獲取重建所需的前向投影數(shù)據(jù)；第二，采用迭代重建算法OSEM對數(shù)據(jù)進行重建，獲取多組重建數(shù)據(jù)；第三，系統(tǒng)幾何偏移向量的獲??；第四，除初始角度重建結(jié)果外，其他角度的重建數(shù)據(jù)以逆系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)一定角度。至此，實現(xiàn)了三維建模；

(3)醫(yī)學(xué)影像模型虛擬現(xiàn)實化輸出：將二維體素級別的醫(yī)學(xué)影像導(dǎo)入Unity3D引擎中，由計算機進行二維圖像至三維圖像的轉(zhuǎn)換，生成實時動態(tài)的三維立體圖像。之后對三維立體圖像的各個部分進行分割、建模和渲染，同時提供在三維視圖中模擬手術(shù)過程的交互式方法，包括對切口大小的設(shè)計、切口位置的選擇、內(nèi)窺鏡進入路徑的調(diào)整、內(nèi)窺鏡視野的調(diào)整、手術(shù)器械的使用，讓醫(yī)生不僅可以用顯示器看二維平面圖像，更可以在虛擬現(xiàn)實的環(huán)境中更真實近距離地觀察三維立體圖像，并與圖像進行交互；

(4)真實病人影像的手術(shù)規(guī)劃和模擬手術(shù)：使用unity3D引擎構(gòu)建手術(shù)規(guī)劃及模擬手術(shù)的平臺，將虛擬現(xiàn)實化的病人數(shù)據(jù)輸入，其中，系統(tǒng)支持的虛擬現(xiàn)實設(shè)備包括HTC VIVE及Oculus Rift。首先，醫(yī)生根據(jù)病人的真實病況，通過病人心臟病灶的模擬3D模型對手術(shù)進行術(shù)前規(guī)劃，然后利用VR眼鏡在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中通過控制手柄進行模擬手術(shù)，在模擬手術(shù)過程中，系統(tǒng)會對醫(yī)生進行的操作提供即時反饋，對錯誤或有風(fēng)險的操作步驟進行警告提醒，同時在術(shù)后對醫(yī)生的模擬手術(shù)效果進行評估。若評估效果一般，則表明該術(shù)前規(guī)劃不合理，應(yīng)該重新進行術(shù)前規(guī)劃；若評估效果良好，則表明該術(shù)前規(guī)劃合理。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。