虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練方法和系統與流程
2023-12-04 22:12:06
本發明涉及虛擬手術教學技術領域，特別涉及一種虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練。
背景技術：
腹腔鏡手術是一門新發展起來的微創手術方法，自法國人mouret實施第一例腹腔鏡膽囊切除術開始已有100多年的發展歷程，現已成為醫學界普遍採取的新技術。該技術具有創口小，恢復快，減輕病人痛苦，縮短住院時間等優點，深受患者和醫生歡迎。但是，實施腹腔鏡手術需要依靠醫生精湛的技術才能完成，而精湛的技術受限於手術經驗，只有通過訓練和臨床實踐才能獲取。
現有的腹腔鏡手術訓練系統主要以模擬操作箱為主，操作箱用來模擬人體的體腔，裡面放置一些小球，線等物體來模擬真實手術操作的對象。使用真實的器械在操作箱內進行各種基本手法或者手術片段。這種方法沒有直觀呈現出人體內部實際構造，對於基本手法甚至會誤導，部分微創手術器械無法訓練(如電凝)，臨床真實的微創手術還會有更多的位置因素，也無法在操作箱內表現。
虛擬手術系統是利用虛擬實境技術在現代醫學中的應用。它是一個融合計算機技術、計算機圖形學、傳感器技術、生物力學、現代醫學、圖像處理、計算機視覺、機器人學、科學計算可視化等學科的多學科交叉研究領域。藉助於虛擬手術系統，醫護人員在計算機生成的虛擬環境中利用仿真器械模擬手術操作，同時虛擬手術系統還可以播放標準手術操作，節約了醫務培訓費用和時間，達到迅速提高醫學生和實習醫生手術技能的目的。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明提出一種虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練方法和系統。
一種虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練系統，其包括如下模塊：
物理建模模塊、膽結石隨機生成模塊、專家演示模塊、分步訓練模塊；
所述系統物理建模模塊用於生成虛擬腹腔鏡手術所需的人體模型及各項手術器械；
所述膽結石隨機生成模塊用於隨機生成膽總管結石；
所述專家演示模塊用於將已存儲的專家操作信息播放；
所述分步訓練模塊用於對手術關鍵步驟訓練。
在本發明所述的虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練系統中，
所述系統物理建模模塊包括：
基於中國數字人數據，在人體模型的基礎上增加多邊形數量並添加紋理貼圖，以提高人體模型逼真度；按照真實腹腔鏡器械進行建模和貼圖建立虛擬手術器械模型。
在本發明所述的虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練系統中，
所述膽結石隨機生成模塊包括：
在maya中製作膽結石模型並賦予文理貼圖；
在場景中加載人體模型，測量膽總管內結石可能出現區域，在區域內隨機生成位置坐標，在該坐標創建結石，並對結石進行預設比例的縮放和旋轉。
在本發明所述的虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練系統中，
所述專家演示模塊已存儲的專家操作信息包括手術器械的類型，起始和終止時的位移和旋轉，以及夾持電凝等操作信息，每一步的操作耗時；根據起始和終止時的位置差值和角度差值計算每一幀的步長，實時對器械位置和角度進行更新；當器械進入特定觸發區域，激活相應變形動畫。
在本發明所述的虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練系統中，
所述分步訓練模塊包括4個獨立操作單元，包括探查calot三角及膽總管單元、夾閉膽囊管單元、膽總管切開單元、膽道鏡下取石單元；
所述探查calot三角及膽總管單元用於實現對calot三角及膽總管單元探查訓練；
所述夾閉膽囊管單元用於實現膽囊管單元夾閉訓練；
所述膽總管切開單元用於實現膽總管切開訓練；
所述膽道鏡下取石單元用於實現膽道鏡下取石訓練。
本發明還提供一種虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練方法，
其包括如下步驟：
s1、生成虛擬腹腔鏡手術所需的人體模型及各項手術器械；
s2、隨機生成膽總管結石；
s3、加載虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練場景；
s4、判斷是否進入專家演示模式，是則跳轉到步驟s5；否則跳轉到步驟s/6；
s5、讀取專家操作流程信息，改變手術器械的位置並播放器官形變動畫；
s6、判斷選擇的訓練步驟，並根據選擇的訓練步驟完成相應的訓練。
在本發明所述的虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練方法中，
所述步驟s6中在各個訓練步驟中均設置有器械操作觸發區域，用於判斷用戶操作是否正確。
在本發明所述的虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練方法中，
所述訓練步驟包括：探查calot三角及膽總管、夾閉膽囊管、膽總管切開、膽道鏡下取石；
相應地，在為在膽道鏡下取石單元中，包含腹腔鏡下場景與膽道鏡下場景的顯示和切換。
實施本發明提供的虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練方法和系統與現有技術相比具有以下有益效果：
(1)系統的人體器官模型依據真實的人體斷層數據重建而成，器械按照真實腹腔鏡器械比例建模，模擬出逼真的鏡下操作環境，讓操作者身臨其境。
(2)系統中膽總管結石的位置和形狀不一，用來模擬複雜多樣的臨床表現，解決了普通腹腔鏡膽總管探查手術訓練模型單一的問題。
(3)系統中包含專家演示模塊，對於初學者來說具有指導意義。
(4)系統將關鍵手術步驟進行拆分，有利於用戶對特定步驟進行反覆訓練。
附圖說明
圖1是本發明實施例的虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練流程圖。
圖2是本發明實施例的操作畫面示意圖。
具體實施方式
一種虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練系統，其包括如下模塊：
物理建模模塊、膽結石隨機生成模塊、專家演示模塊、分步訓練模塊；
所述系統物理建模模塊用於生成虛擬腹腔鏡手術所需的人體模型及各項手術器械；
在本發明所述的虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練系統中，
所述系統物理建模模塊包括：
基於中國數字人數據，在人體模型的基礎上增加多邊形數量並添加紋理貼圖，以提高人體模型逼真度；按照真實腹腔鏡器械進行建模和貼圖建立虛擬手術器械模型，能夠生成虛擬腹腔鏡手術所需的各項手術器械。能夠實現在虛擬環境下，給用戶提供手術實施的對象。
所述膽結石隨機生成模塊用於隨機生成膽總管結石；
在本發明所述的虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練系統中，
所述膽結石隨機生成模塊包括：
在maya中製作膽結石模型並賦予文理貼圖；
在場景中加載人體模型，測量膽總管內結石可能出現區域，在區域內隨機生成位置坐標，在該坐標創建結石，並對結石進行預設比例的縮放和旋轉。
虛擬手術操作過程中，在膽道內的不同位置生成數量隨機大小各異的膽結石，給用戶創造不同的病灶特徵和操作體驗。
所述專家演示模塊用於將已存儲的專家操作信息播放；
能夠實現在完整的虛擬手術場景中，播放專家推薦的手術器械操作路徑以及操作過程中目標器官形變動畫。
在本發明所述的虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練系統中，
所述專家演示模塊已存儲的專家操作信息包括手術器械的類型，起始和終止時的位移和旋轉，以及夾持電凝等操作信息，每一步的操作耗時；根據起始和終止時的位置差值和角度差值計算每一幀的步長，實時對器械位置和角度進行更新；當器械進入特定觸發區域，激活相應變形動畫。
所述分步訓練模塊用於對手術關鍵步驟訓練。
在本發明所述的虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練系統中，
所述分步訓練模塊包括4個獨立操作單元，包括探查calot三角及膽總管單元、夾閉膽囊管單元、膽總管切開單元、膽道鏡下取石單元；
所述探查calot三角及膽總管單元用於實現對calot三角及膽總管單元探查訓練；
所述夾閉膽囊管單元用於實現膽囊管單元夾閉訓練；
所述膽總管切開單元用於實現膽總管切開訓練；
所述膽道鏡下取石單元用於實現膽道鏡下取石訓練。
在本發明實施例中，優選地，每個獨立操作單元的起始轉臺，程序將腹腔鏡鏡頭設定在有利於該步驟操作的位置，用戶選擇機械手類型，實例化相應機械手，通過控制機械手的位移，旋轉以及相應功能操作(如夾持，電凝，切割)來完成手術過程。在膽道鏡下取石單元中，需要同時展現膽道鏡下場景和腹腔鏡下場景，場景切換如圖2所示，程序設置主場景大小為屏幕大小，以屏幕左上角為坐標原點，設置主場景坐標為(0,0)，深度為0。設置副場景的長寬均為屏幕長寬的40％，以屏幕左上角為坐標原點，設置主場景坐標為(0.6,0.6)，深度為1。切換主副場景，程序交互兩場景的坐標值和深度值。
優選地，每個獨立操作單元都設置有器械操作觸發區域，用於判斷用戶操作是否正確。在膽道鏡下取石單元中，包含腹腔鏡下場景與膽道鏡下場景的顯示和切換。
如圖1所示，本發明還提供一種虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練方法，
其包括如下步驟：
s1、生成虛擬腹腔鏡手術所需的人體模型及各項手術器械；
s2、隨機生成膽總管結石；
s3、加載虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練場景；
s4、判斷是否進入專家演示模式，是則跳轉到步驟s5；否則跳轉到步驟s/6；
s5、讀取專家操作流程信息，改變手術器械的位置並播放器官形變動畫；
s6、判斷選擇的訓練步驟，並根據選擇的訓練步驟完成相應的訓練。
在本發明所述的虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練方法中，
所述步驟s6中在各個訓練步驟中均設置有器械操作觸發區域，用於判斷用戶操作是否正確。
在本發明所述的虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練方法中，
所述訓練步驟包括：探查calot三角及膽總管、夾閉膽囊管、膽總管切開、膽道鏡下取石；
相應地，在為在膽道鏡下取石單元中，包含腹腔鏡下場景與膽道鏡下場景的顯示和切換。
實施本發明提供的虛擬腹腔鏡膽道探查術訓練方法和系統與現有技術相比具有以下有益效果：
(1)系統的人體器官模型依據真實的人體斷層數據重建而成，器械按照真實腹腔鏡器械比例建模，模擬出逼真的鏡下操作環境，讓操作者身臨其境。
(2)系統中膽總管結石的位置和形狀不一，用來模擬複雜多樣的臨床表現，解決了普通腹腔鏡膽總管探查手術訓練模型單一的問題。
(3)系統中包含專家演示模塊，對於初學者來說具有指導意義。
(4)系統將關鍵手術步驟進行拆分，有利於用戶對特定步驟進行反覆訓練。
可以理解的是，對於本領域的普通技術人員來說，可以根據本發明的技術構思做出其它各種相應的改變與變形，而所有這些改變與變形都應屬於本發明權利要求的保護範圍。