本發(fā)明涉及一種手術(shù)仿真技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的方法及用于模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，微創(chuàng)手術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)手術(shù)僅對(duì)人體組織造成非常微小的創(chuàng)傷，這一技術(shù)可以顯著降低術(shù)后的恢復(fù)時(shí)間和死亡率。因此，微創(chuàng)手術(shù)及其相關(guān)輔助診療手段的研究成為當(dāng)今醫(yī)療技術(shù)研究的熱點(diǎn)。為了提高微創(chuàng)手術(shù)的成功幾率，通常需要提前對(duì)手術(shù)進(jìn)行模擬，手術(shù)仿真應(yīng)需而生。

手術(shù)仿真的核心功能是由反饋交互體現(xiàn)的，系統(tǒng)通過(guò)輸入設(shè)備接收到用戶的操作，根據(jù)算法和模型計(jì)算出系統(tǒng)對(duì)操作的響應(yīng)，然后通過(guò)輸出設(shè)備將響應(yīng)結(jié)果反饋給用戶。目前大多數(shù)的虛擬力反饋手術(shù)系統(tǒng)只研究了虛擬組織的切割、變形、抓取和縫合的交互，但是不能模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的力交互過(guò)程，這就導(dǎo)致現(xiàn)有的手術(shù)仿真系統(tǒng)無(wú)法訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)操作者在微創(chuàng)穿刺手術(shù)過(guò)程中尋找手術(shù)切入點(diǎn)，而在微創(chuàng)穿刺手術(shù)中手術(shù)切入點(diǎn)是關(guān)乎手術(shù)成敗的關(guān)鍵，這就導(dǎo)致現(xiàn)有手術(shù)仿真系統(tǒng)無(wú)法滿足模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的需要。并且，這種傳統(tǒng)的模擬手術(shù)系統(tǒng)，在穿刺實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)法觀察穿刺過(guò)程中病灶周?chē)匾芊植记闆r，這就導(dǎo)致操作者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中仍然采用傳統(tǒng)的二維平面圖像輔助訓(xùn)練，難以達(dá)到手術(shù)仿真的目的。

為了使得用戶在進(jìn)行手術(shù)仿真時(shí)有更好的沉浸感，通常會(huì)采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行人機(jī)交互和反饋顯示。而現(xiàn)有的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)手術(shù)仿真系統(tǒng)主要側(cè)重對(duì)真實(shí)手術(shù)的模擬效果，因此，系統(tǒng)普遍具有設(shè)備體積龐大、成本高昂等特點(diǎn)，不利于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)手術(shù)仿真的推廣。故，開(kāi)發(fā)輕量級(jí)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)手術(shù)仿真系統(tǒng)，拓展臨床醫(yī)生手術(shù)訓(xùn)練方式具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種可實(shí)現(xiàn)可視化觀察虛擬人體組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)并提供實(shí)驗(yàn)沉浸感強(qiáng)的微創(chuàng)穿刺手術(shù)的模擬訓(xùn)練方法及用于模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有模擬手術(shù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)沉浸感不強(qiáng)且不便于尋找手術(shù)切入點(diǎn)的缺陷。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的方法，其特征在于：其包括以下步驟，

步驟1，將人體組織與病變體的三維模型結(jié)合形成完整的病變?nèi)梭w三維組織模型；

步驟2，基于所述病變?nèi)梭w三維組織模型，構(gòu)建具備生物力學(xué)特征的虛擬人體組織，并對(duì)所述虛擬人體組織進(jìn)行表面半透明化處理；

步驟3，確認(rèn)虛擬手術(shù)器械與虛擬人體組織發(fā)生碰撞，基于虛擬人體組織在接觸及穿刺過(guò)程中對(duì)虛擬手術(shù)器械反饋的作用力，對(duì)虛擬人體組織產(chǎn)生力學(xué)變形并輸出視覺(jué)反饋，輔助規(guī)劃手術(shù)路徑。

在上述方案的基礎(chǔ)上優(yōu)選，步驟1中的人體組織和病變體的三維模型是通過(guò)導(dǎo)入CT掃描數(shù)據(jù)，在三維軟件中分別建模構(gòu)建而成。

在上述方案的基礎(chǔ)上優(yōu)選，步驟1中，將三維軟件中構(gòu)建成的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理。

在上述方案的基礎(chǔ)上優(yōu)選，步驟2進(jìn)一步包括：構(gòu)建彈簧質(zhì)點(diǎn)模型；并，基于彈簧質(zhì)點(diǎn)模型建立力學(xué)約束方程，計(jì)算外部作用力作用在虛擬人體組織上產(chǎn)生的位移量。

在上述方案的基礎(chǔ)上優(yōu)選，步驟2進(jìn)一步包括：基于彈簧質(zhì)點(diǎn)模型所構(gòu)建的模型中，每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)受到一個(gè)外部作用力F_ext，根據(jù)形變的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，獲得F_ext的第一種表達(dá)方式為：

其中，m表示質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，x表示質(zhì)點(diǎn)的位移，t表示時(shí)間，D表示阻尼器的阻尼系數(shù)，K表示彈簧的彈性系數(shù)，F(xiàn)_ext表示該質(zhì)點(diǎn)受到的外部作用力；

根據(jù)胡克定律和牛頓第二定律，F(xiàn)_ext的第二種表達(dá)方式為：

F_ext＝F_s+F_d+F_p (2)；

其中，F(xiàn)_s為質(zhì)點(diǎn)所受到的彈簧彈力，F(xiàn)_d為質(zhì)點(diǎn)受到的阻尼力，F(xiàn)_p為模擬的內(nèi)部回復(fù)力；

結(jié)合公式(1)和公式(2)，計(jì)算出當(dāng)前質(zhì)點(diǎn)的位移量x，并將x至反饋在虛擬人體軟組織上。

在上述方案的基礎(chǔ)上優(yōu)選，步驟3進(jìn)一步包括：構(gòu)建內(nèi)部氣體分子力模型，利用克拉伯龍方程式計(jì)算出質(zhì)點(diǎn)所受壓力，再通過(guò)壓強(qiáng)計(jì)算公式，獲得當(dāng)前質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)部回復(fù)力。

在上述方案的基礎(chǔ)上優(yōu)選，步驟3中，虛擬人體組織在接觸過(guò)程中對(duì)虛擬手術(shù)器械反饋的作用力F，該作用力F表示形式為：

其中，F(xiàn)為觸覺(jué)反饋力，K為彈簧的剛度系數(shù)，D為阻尼器的阻尼系數(shù)，x為虛擬手術(shù)器械當(dāng)前位置與表面接觸點(diǎn)之間的距離，即碰撞深度。

在上述方案的基礎(chǔ)上優(yōu)選，步驟3中，虛擬人體組織在穿刺過(guò)程中對(duì)虛擬手術(shù)器械反饋的作用力F為虛擬手術(shù)器械與虛擬組織之間的摩擦力。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還提供了一種用于模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的系統(tǒng)，其特征在于：其包括，

病變?nèi)梭w組織構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建人體三維組織及病變體，并將兩者結(jié)合構(gòu)成完整的病變?nèi)梭w三維組織模型；

生物力學(xué)處理模塊，用于對(duì)所述病變?nèi)梭w三維組織模型構(gòu)建具備生物力學(xué)特征的虛擬人體組織；

力學(xué)交互反饋模塊，用于模擬虛擬手術(shù)器械在接觸及穿刺過(guò)程中對(duì)虛擬手術(shù)器械的反饋?zhàn)饔昧?，并使虛擬人體組織產(chǎn)生力學(xué)變形，產(chǎn)生視覺(jué)輸出顯示穿刺路徑，輔助檢查和優(yōu)化穿刺軌跡。

在上述方案的基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述的生物力學(xué)處理模塊，還包括一用于將所述的虛擬人體組織的表面進(jìn)行半透明化處理的可視化處理模塊。

在上述方案的基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述的力學(xué)交互反饋模塊包括：用于計(jì)算虛擬手術(shù)器械在接觸；及，穿刺過(guò)程中對(duì)虛擬手術(shù)器械的反饋?zhàn)饔昧Φ呐鲎矙z測(cè)模塊、及與該碰撞檢測(cè)模塊連接的力觸覺(jué)仿真模塊和柔性變形模塊。

在上述方案的基礎(chǔ)上優(yōu)選，其還包括一用于控制虛擬手術(shù)器械輸入作用力并接受力學(xué)反饋模塊輸出反饋?zhàn)饔昧Φ牧Ψ答佋O(shè)備。

在上述方案的基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述的柔性變形模塊的輸出端還裝有一視覺(jué)輸出模塊，并將該視覺(jué)輸出模塊與一視頻透射式頭盔顯示器相連。

在上述方案的基礎(chǔ)上優(yōu)選，所述的視頻透射式頭盔顯示器包括一用于采集現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景環(huán)境的攝像頭、和與該攝像頭輸出端相連接的圖像處理器，所述的視覺(jué)輸出模塊的輸出端與所述的圖像處理器相連接。

本申請(qǐng)?zhí)岢鲆环N用于模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的方法，通過(guò)CT掃描圖像數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確獲取待手術(shù)部位的數(shù)據(jù)信息，確保手術(shù)仿真操作環(huán)境的準(zhǔn)確性，并將病變體與人體組織分別獨(dú)立建模，以將虛擬人體組織表面半透明化，便于在模擬手術(shù)過(guò)程中，操作者在尋找穿刺點(diǎn)時(shí)，準(zhǔn)確觀察人體組織的周?chē)匾芮闆r，有利于訓(xùn)練操作者準(zhǔn)確獲知穿刺點(diǎn)，提高手術(shù)成功機(jī)率；同時(shí)，本申請(qǐng)?jiān)谂鲎矙z測(cè)過(guò)程中，將虛擬手術(shù)器械與虛擬人體組織之間的交互過(guò)程分割成兩個(gè)階段，分別構(gòu)建軟組織形變階段和穿刺階段的力反饋方程式，利用力反饋設(shè)備予以接受輸出，從而使操作者在模擬實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，準(zhǔn)確感知當(dāng)前操作作用力大小，使得實(shí)驗(yàn)沉浸感增強(qiáng)。

與此同時(shí)，本發(fā)明將仿真手術(shù)所產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至視頻透射式頭盔顯示器的圖像處理器，并配合攝像頭采集現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景數(shù)據(jù)，利用圖像處理器將仿真手術(shù)的圖像數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景數(shù)據(jù)相結(jié)合，并采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)注冊(cè)跟蹤技術(shù)保證融合效果，將虛擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景相結(jié)合，增強(qiáng)了用戶的感官感受，使用戶獲得更高的使用體驗(yàn)，從而增強(qiáng)了手術(shù)仿真效果。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種用于模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的方法流程圖；

圖2為本發(fā)明構(gòu)建虛擬人體組織的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明網(wǎng)格化后部分人體組織的彈簧質(zhì)點(diǎn)模型放大圖；

圖4為本發(fā)明軟組織形變階段反饋力計(jì)算模型圖；

圖5為本發(fā)明用于模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖6為本發(fā)明使用圖5所示系統(tǒng)的流程圖；

圖7為本發(fā)明用于模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的系統(tǒng)的實(shí)景流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。

為了詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明的一種用于模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的方法，其具體包括以下步驟：

步驟1，將人體組織與病變體的三維模型結(jié)合形成完整的病變?nèi)梭w三維組織模型；步驟2，基于上述病變?nèi)梭w三維組織模型，構(gòu)建具備生物力學(xué)特征的虛擬人體組織，并對(duì)虛擬人體組織進(jìn)行表面半透明化處理；

步驟3，確認(rèn)虛擬手術(shù)器械與虛擬人體組織發(fā)生碰撞，基于虛擬人體組織在接觸及穿刺過(guò)程中對(duì)虛擬手術(shù)器械反饋的作用力，對(duì)虛擬人體組織產(chǎn)生力學(xué)變形并輸出視覺(jué)反饋，以模擬手術(shù)中穿刺點(diǎn)選取與虛擬手術(shù)器械位姿選取，實(shí)時(shí)顯示穿刺路徑，輔助用戶檢查和優(yōu)化穿刺軌跡，達(dá)到規(guī)避手術(shù)中可帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)的組織結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明通過(guò)在構(gòu)建病變?nèi)梭w三維組織模型時(shí)，將病變體與人體組織分別獨(dú)立建模后進(jìn)行結(jié)合，從而可使其在半透明化處理時(shí)，能夠獨(dú)立對(duì)虛擬人體組織進(jìn)行半透明化處理，從而方便操作者在模擬手術(shù)時(shí)，可直觀看到病變體周?chē)奶摂M人體組織結(jié)構(gòu)，以準(zhǔn)確找到穿刺點(diǎn)，提高手術(shù)成功機(jī)率，并配合將虛擬手術(shù)器械與虛擬人體組織發(fā)生交互過(guò)程分割成兩個(gè)階段，即軟組織形變階段和穿刺階段。

其中，軟組織形變階段為虛擬手術(shù)器械接觸虛擬人體組織表面至虛擬手術(shù)器械刺破虛擬人體組織之前，穿刺階段為虛擬手術(shù)器械刺破虛擬人體軟組織表面進(jìn)入虛擬人體軟組織內(nèi)做勻速運(yùn)動(dòng)階段。然后，分別對(duì)軟組織形變階段和穿刺階段構(gòu)建獨(dú)立的力反饋方程，從而使得操作者在模擬手術(shù)過(guò)程中，準(zhǔn)確獲知接觸與穿刺過(guò)程不同的力學(xué)感觸，以增加模擬沉浸感。

進(jìn)一步的，為了準(zhǔn)確構(gòu)建人體組織和病變體的三維模型，本發(fā)明步驟1中的人體組織和病變體的三維模型是通過(guò)導(dǎo)入CT掃描數(shù)據(jù)，在三維軟件中構(gòu)建而成。且該三維軟件優(yōu)選使用MITK軟件。

在本發(fā)明的步驟1中，還可將三維軟件中構(gòu)建成的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格化處理，以方便進(jìn)行步驟2中，對(duì)病變?nèi)梭w三維組織模型構(gòu)建生物力學(xué)特征。在網(wǎng)格化處理過(guò)程中，優(yōu)選采用二次邊折疊簡(jiǎn)化算法(Quadric edge collapse decimation)和三步拉普拉斯平滑濾波算法進(jìn)行處理，見(jiàn)圖2所示。

步驟2中的構(gòu)建具備生物力學(xué)特征的虛擬人體組織，包括構(gòu)建彈簧質(zhì)點(diǎn)模型，并基于彈簧質(zhì)點(diǎn)模型建立力學(xué)約束方程，計(jì)算外部作用力作用在虛擬人體組織上產(chǎn)生的位移量。

為了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明構(gòu)建彈簧質(zhì)點(diǎn)模型的過(guò)程，請(qǐng)參閱圖3所示，根據(jù)物體的彈簧質(zhì)點(diǎn)模型，柔性物體由質(zhì)點(diǎn)和彈簧阻尼器構(gòu)成，如圖3所示，物體表面任意一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在受外力作用時(shí)，都會(huì)使質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)之間產(chǎn)生相互作用力。本發(fā)明采用面模型來(lái)模擬柔性物體的形變，并且選用三角形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖中中心的質(zhì)點(diǎn)表示外力作用點(diǎn)，該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)會(huì)牽引其領(lǐng)域內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)一起運(yùn)動(dòng)，從而在物體表面產(chǎn)生形變，形變的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下：

其中，M、B和K分別表示質(zhì)量矩陣、阻尼系數(shù)矩陣和彈簧彈性系數(shù)矩陣，X表示質(zhì)點(diǎn)的位移向量，F(xiàn)_ext表示質(zhì)點(diǎn)所受外力的合力。根據(jù)公式(1)，虛擬環(huán)境中的任意一個(gè)質(zhì)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)滿足如下方程：

其中，m表示質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，x表示質(zhì)點(diǎn)的位移，t表示時(shí)間，D表示阻尼器的阻尼系數(shù)，K表示彈簧的彈性系數(shù)，F(xiàn)_ext表示該質(zhì)點(diǎn)受到的外部作用力；

根據(jù)胡克定律和牛頓第二定律，F(xiàn)_ext的第二種表達(dá)方式為：

F_ext＝F_s+F_d+F_p (3)；

其中，F(xiàn)_s為質(zhì)點(diǎn)所受到的彈簧彈力，F(xiàn)_d為質(zhì)點(diǎn)受到的阻尼力，F(xiàn)_p為模擬的內(nèi)部回復(fù)力；

F_S＝kx (4)；

其中，k表示彈簧的彈性系數(shù)，x表示質(zhì)點(diǎn)的位移；

F_d＝CV (5)；

其中，C表示阻尼系數(shù)，V表示質(zhì)點(diǎn)的位移；

結(jié)合公式(2)和公式(3)，計(jì)算出當(dāng)前質(zhì)點(diǎn)的位移量x，并將x至反饋在虛擬人體軟組織上。

由于傳統(tǒng)基于表面網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的模型，在模擬軟組織形變過(guò)程中穩(wěn)定性較差。本發(fā)明在傳統(tǒng)基于表面網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所構(gòu)造的彈簧質(zhì)點(diǎn)模型(MSM)上，將柔性組織形變后的回復(fù)力F_p用內(nèi)部氣體分子力模型來(lái)表達(dá)，模擬出軟組織材料在外力作用消失后的形變恢復(fù)情況。，構(gòu)建內(nèi)部氣體分子力模型，利用克拉伯龍方程式計(jì)算出質(zhì)點(diǎn)所受壓力，再通過(guò)壓強(qiáng)計(jì)算公式，獲得當(dāng)前質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)部回復(fù)力。Matyka and Ollila定義表面網(wǎng)格每個(gè)點(diǎn)所受到的內(nèi)部壓力通過(guò)向該點(diǎn)施加的向量表達(dá)，該向量方向上與該點(diǎn)在模型表面法向量相同，計(jì)算方法由公式[6]給出

其中，為內(nèi)部壓力施加在表面頂點(diǎn)的法向量，其中P為壓力大小，n為表面的法向量，A為表面的面積。P由理想氣體壓力公式得出，由克拉伯龍—克勞修斯方程，我們有：

PV＝nRT (7)；

其中，V為模型的體積，n為氣體物質(zhì)的量，R為理想氣體常量，T為熱力學(xué)溫度。

根據(jù)公式(7)計(jì)算出，模型內(nèi)部壓力P可以表示為：

P＝V^-1nRT (8)；

為了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的在軟組織形變階段虛擬手術(shù)器械收到的反饋力，請(qǐng)繼續(xù)參閱圖3所示。基于彈簧質(zhì)點(diǎn)模型建立的虛擬人體軟組織模型計(jì)算該階段的反饋?zhàn)饔昧?，由于在該階段中虛擬手術(shù)器械與虛擬人體軟組織之間并沒(méi)有發(fā)生相對(duì)位移，因此，此階段過(guò)程中，不存在摩擦力，故該階段過(guò)程中虛擬人體軟組織反饋給虛擬手術(shù)器械的觸覺(jué)反饋力可以表示為：

其中，F(xiàn)為觸覺(jué)反饋力，K為彈簧的剛度系數(shù)，D為阻尼器的阻尼系數(shù)，x為虛擬手術(shù)器械當(dāng)前位置與表面接觸點(diǎn)之間的距離，即碰撞深度。

為了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的碰撞深度，請(qǐng)繼續(xù)參閱圖4所示，圖中A₁表示前一時(shí)刻虛擬手術(shù)器械位置，A₂表示為當(dāng)前虛擬手術(shù)器械位置，B₂為虛擬設(shè)備代理點(diǎn)位置，B₁虛擬人體軟組織表面，為其中，虛擬設(shè)備代理點(diǎn)B₂位于虛擬人體軟組織表面B₁與當(dāng)前虛擬手術(shù)器械A(chǔ)₂之間最短路徑處，由此，定義碰撞深度

X＝A₂-B₂ (10)；

并設(shè)定一個(gè)最大碰撞深度X_max，當(dāng)時(shí)，即作用力達(dá)到了刺破虛擬人體軟組織的作用力，此時(shí)，虛擬手術(shù)器械進(jìn)入虛擬人體組織內(nèi)，即進(jìn)入了刺破階段。在該階段中，觸覺(jué)反饋力是由切割力和摩擦力所構(gòu)成的合力，本實(shí)驗(yàn)中，假定虛擬手術(shù)器械以勻速運(yùn)動(dòng)的方式在虛擬人體軟組織內(nèi)運(yùn)動(dòng)，從而使切割力消失，故，該階段輸出的觸覺(jué)反饋力為虛擬手術(shù)器械與虛擬組織之間的摩擦力，本發(fā)明中的摩擦力可通過(guò)定義不同材質(zhì)的虛擬軟體組織，改變?cè)撃Σ亮Α?/p>

本發(fā)明還提供了一種用于模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，該用于模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的系統(tǒng)包括，

病變?nèi)梭w組織構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建人體三維組織及病變體，并將兩者結(jié)合構(gòu)成完整的病變?nèi)梭w三維組織模型；

生物力學(xué)處理模塊，用于對(duì)所述病變?nèi)梭w三維組織模型構(gòu)建具備生物力學(xué)特征的虛擬人體組織；

力學(xué)交互反饋模塊，用于模擬虛擬手術(shù)器械在接觸及穿刺過(guò)程中對(duì)虛擬手術(shù)器械的反饋?zhàn)饔昧Γ⑹固摂M人體組織產(chǎn)生力學(xué)變形，產(chǎn)生視覺(jué)輸出，以模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)中穿刺點(diǎn)選取與虛擬手術(shù)器械位姿選取，實(shí)時(shí)顯示穿刺路徑，輔助用戶檢查和優(yōu)化穿刺軌跡，避開(kāi)手術(shù)中可能帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)的組織結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的生物力學(xué)處理模塊，還包括一用于將虛擬人體組織的表面進(jìn)行半透明化處理的可視化處理模塊。且該力學(xué)交互反饋模塊包括用于計(jì)算虛擬手術(shù)器械在接觸及穿刺過(guò)程中對(duì)虛擬手術(shù)器械的反饋?zhàn)饔昧Φ呐鲎矙z測(cè)模塊、及與該碰撞檢測(cè)模塊連接的力觸覺(jué)仿真模塊和柔性變形模塊。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，以進(jìn)一步增強(qiáng)用戶手術(shù)的沉浸感和仿真手術(shù)的感官感受。請(qǐng)參閱圖5和圖7所示，本發(fā)明的柔性變形模塊的輸出端還裝有一視覺(jué)輸出模塊，并將該視覺(jué)輸出模塊與一視頻透射式頭盔顯示器相連。且本發(fā)明的視頻透射式頭盔顯示器包括一用于采集現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景環(huán)境的攝像頭、和與該攝像頭輸出端相連接的圖像處理模塊，所述的視覺(jué)輸出模塊的輸出端與所述的圖像處理模塊相連接。

使用時(shí)，通過(guò)視覺(jué)輸出模塊獲取仿真手術(shù)的虛擬人體組織彈性變形及虛擬手術(shù)器械的相對(duì)位置數(shù)據(jù)，并將獲取到的數(shù)據(jù)發(fā)送至視頻透射式頭盔顯示器的圖像處理模塊，同時(shí)，利用視頻透射式頭盔顯示器的攝像頭采集現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景環(huán)境數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送至圖像處理模塊，通過(guò)圖像處理模塊將仿真手術(shù)的圖像數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景數(shù)據(jù)相結(jié)合，并采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)注冊(cè)跟蹤技術(shù)保證融合效果，以實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境的融合與反饋，從而增強(qiáng)了用戶的感官感受，使用戶獲得更高的使用體驗(yàn)，增強(qiáng)了手術(shù)仿真效果。

本發(fā)明的一種用于模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的系統(tǒng)還包括一用于控制虛擬手術(shù)器械輸入作用力并接受力學(xué)反饋模塊輸出反饋?zhàn)饔昧Φ牧Ψ答佋O(shè)備。且該力反饋設(shè)備優(yōu)選為Geomagic touch設(shè)備，該設(shè)備能夠感知用戶手持末端筆狀機(jī)械臂的位置與方向信息，具備一個(gè)類(lèi)似三維鼠標(biāo)的功能，同時(shí)系統(tǒng)能夠通過(guò)所連接的計(jì)算機(jī)設(shè)備計(jì)算反饋力，并向使用者的手施加作用力，從而實(shí)現(xiàn)使用者與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的力反饋交互。

本申請(qǐng)?zhí)岢鲆环N用于模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的方法，通過(guò)CT掃描圖像數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確獲取待手術(shù)部位的數(shù)據(jù)信息，確保手術(shù)仿真操作環(huán)境的準(zhǔn)確性，并將病變體與人體組織分別獨(dú)立建模，以將虛擬人體組織表面半透明化，便于在模擬手術(shù)過(guò)程中，操作者在尋找穿刺點(diǎn)時(shí)，準(zhǔn)確觀察人體組織的周?chē)匾芮闆r，有利于訓(xùn)練操作者準(zhǔn)確獲知穿刺點(diǎn)，提高手術(shù)成功機(jī)率。同時(shí)，本申請(qǐng)?jiān)谂鲎矙z測(cè)過(guò)程中，將虛擬手術(shù)器械與虛擬人體組織之間的交互分割成兩個(gè)階段，分別構(gòu)建軟組織形變階段和穿刺階段的力反饋方程式，利用力反饋設(shè)備予以接受輸出，從而使操作者在模擬實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，準(zhǔn)確感知當(dāng)前操作作用力大小，使得實(shí)驗(yàn)沉浸感增強(qiáng)。

使用本發(fā)明的一種用于模擬微創(chuàng)穿刺手術(shù)的系統(tǒng)時(shí)，首先，設(shè)置觸覺(jué)空間、可接觸面、交互模式及觸覺(jué)幾何模型，并定義模擬手術(shù)環(huán)境和機(jī)械力。而后，實(shí)驗(yàn)人員可通過(guò)操控力反饋設(shè)備，移動(dòng)虛擬手術(shù)器械在定義的虛擬人體組織模型上的可接觸面上移動(dòng)，透過(guò)半透明狀的虛擬人體組織表面觀察病變體組織旁邊的血管，選擇合適的切入點(diǎn)，繼續(xù)操控力反饋設(shè)備移動(dòng)虛擬手術(shù)器械向虛擬人體組織內(nèi)運(yùn)動(dòng)。檢測(cè)并判斷虛擬手術(shù)器械是否與設(shè)定的可接觸面發(fā)生碰撞，如果未發(fā)生碰撞，則繼續(xù)控制力反饋設(shè)備移動(dòng)虛擬手術(shù)器械向設(shè)定的可接觸面移動(dòng)；如果檢測(cè)發(fā)生碰撞，則根據(jù)公式(2)和公式(3)，計(jì)算出當(dāng)前質(zhì)點(diǎn)的位移量x，并將位移量反饋在虛擬人體組織上發(fā)生彈性變形并予以視覺(jué)輸出，從而增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)沉浸感。與此同時(shí)，依據(jù)觸碰階段和穿刺階段兩種不同的觸覺(jué)反饋力定義分別計(jì)算出其大小，并將該作用力通過(guò)力反饋設(shè)備予以輸出，給實(shí)驗(yàn)操作者真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作感，具體操作流程見(jiàn)圖6。

最后，本申請(qǐng)的方法僅為較佳的實(shí)施方案，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。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、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。