CN104537939A - 一种椎弓根螺钉植入的虚拟方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于计算机辅助医学领域，提供了一种椎弓根螺钉植入的虚拟方法：获取包含脊柱图像的CT数据；对感兴趣区域的脊柱区域进行分割和三维重建，生成Mesh模型；构建手术工具；将所述Mesh模型以及所述手术工具导入虚拟手术环境中；接收通过力反馈装置绘制的手术场景变化；其中，所述力反馈装置用于跟随拖动操作运动，并生成运动状态，并反馈运动效果；对绘制的手术场景变化进行立体显示处理，并输出处理后的立体图像。本发明能使受训者更直观和详细地了解手术区域的解剖关系，可以从多个视角了解置钉位置是否准确，是否有邻近结构的损伤，从而提高了教学质量，以及能让使用者得到操作过程中的触觉感受。
Description
技术领域
本发明属于计算机辅助医学领域，尤其涉及一种椎弓根螺钉植入的虚拟方法及装置。
背景技术
在医学界，椎弓根手术技术要求在横径5-10mm的椎弓根内准确植入直径4-7mm的椎弓根螺钉，而不能损伤比邻的神经根、硬膜囊等重要结构，因此，这对初学者是一个巨大的挑战，徒手将椎弓根螺钉植入椎弓根内是临床上开放手术最为常见的手术方式，在后路开放切口下，通过解剖标志点的识别、通过钉道探子的触觉感受，依据医生的手术经验及术前患者的X线、CT图像进行螺钉的植入。
为了让初学者的临床经验更加成熟，现有技术提供一种脊柱椎弓根螺钉置入虚拟手术***，用于帮助初学者学习及训练，该***是根据患者的个性化CT图像重建脊柱三维结构和脊柱正侧位投影图像，其不仅能够培训手术医生在术中透视引导下微创置入椎弓根螺钉，也能指导手术医生通过解剖标志点在开放条件下置入椎弓根螺钉，提高手术医生椎弓根螺钉置入的准确性，其在脊柱椎弓根螺钉置入解剖教学上具有非常重要的作用。
此***利用真实病人的CT图像重建出脊柱的模型用于虚拟手术，设计了穿刺针和椎弓根螺钉等虚拟手术工具。受训者以将克氏针在正侧位投影图像上的位置与进钉平面横断面图像上克氏针的位置联系在一起，观察两者的对应关系，为术中在透视引导下经皮植入椎弓根螺钉进行个性化的术前培训，同时可以在三维立体模型上通过距离测量和角度测量计算术中所需植入螺钉的直径和长度。
上述***有效解决了开放脊柱椎弓根螺钉植入手术经验不足的问题，对刚刚开展经皮椎弓根螺钉植入的手术医生来说，如何确定经皮椎弓根螺钉的进钉点和进钉轨迹是个非常重要的解剖教学内容。利用虚拟手术***进行椎弓根螺钉的植入可以激发手术医生的学习兴趣，增强手术医生学习的自主性和参与性，促进手术医生对知识的理解和掌握。
然而，现有技术提供的脊柱椎弓根螺钉置入虚拟手术***，只能从解剖结构上来解决椎弓根螺钉植入手术中的困难，而没有针对受训者的手感的训练，真实感不强，训练效果不佳。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种椎弓根螺钉植入的虚拟方法及装置，旨在解决现有技术提供的脊柱椎弓根螺钉置入虚拟手术***，只能从解剖结构上来解决椎弓根螺钉植入手术中的困难，而没有针对受训者的手感的训练，真实感不强，训练效果不佳的问题。
第一方面，本发明提供了一种椎弓根螺钉植入的虚拟方法，所述方法包括以下步骤：
获取包含脊柱图像的CT数据；
对感兴趣区域的脊柱区域进行分割和三维重建，生成Mesh模型；
构建手术工具；
将所述Mesh模型以及所述手术工具导入虚拟手术环境中；
接收通过力反馈装置绘制的手术场景变化；其中，所述力反馈装置用于跟随拖动操作运动，并生成运动状态，并反馈运动效果；
对绘制的手术场景变化进行立体显示处理，并输出处理后的立体图像。
优选的，所述椎弓根螺钉植入的虚拟方法还包括以下步骤：
对绘制的手术场景变化进行运算处理，得到最终手术效果图，并显示所述手术效果图。
优选的，所述椎弓根螺钉植入的虚拟方法还包括以下步骤：
计算通过力反馈装置绘制手术场景变化的完成时间；
判断所述完成时间落在哪一等级范围内；
根据判断结果，确定等级。
优选的，所述椎弓根螺钉植入的虚拟方法还包括以下步骤：
在手术模拟中显示入钉点的提示信息。
优选的，所述椎弓根螺钉植入的虚拟方法还包括以下步骤：
对虚拟手术环境中的手术对象设置不同的宽度和硬度。
第二方面，本发明提供了一种椎弓根螺钉植入的虚拟装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取包含脊柱图像的CT数据；
三维重建模块，用于对感兴趣区域的脊柱区域进行分割和三维重建，生成Mesh模型；
手术工具构建模块，用于构建手术工具；
导入模块，用于将所述Mesh模型以及所述手术工具导入虚拟手术环境中；
接收模块，用于接收通过力反馈装置绘制的手术场景变化；其中，所述力反馈装置用于跟随拖动操作运动，并生成运动状态，并反馈运动效果；
立体显示处理模块，用于对绘制的手术场景变化进行立体显示处理，并输出处理后的立体图像。
优选的，所述椎弓根螺钉植入的虚拟装置还包括：
效果图处理模块，用于对绘制的手术场景变化进行运算处理，得到最终手术效果图，并显示所述手术效果图。
优选的，所述椎弓根螺钉植入的虚拟装置还包括：
时间计算模块，用于计算通过力反馈装置绘制手术场景变化的完成时间；
等级判断模块，用于判断所述完成时间落在哪一等级范围内；
等级确定模块，用于根据判断结果，确定等级。
优选的，所述椎弓根螺钉植入的虚拟装置还包括：
入点提示模块，用于通过在手术模拟中显示入钉点的提示信息。
优选的，所述椎弓根螺钉植入的虚拟装置还包括：
设置模块，用于对虚拟手术环境中的手术对象设置不同的宽度和硬度。
在本发明中，通过对感兴趣区域的脊柱区域进行分割和三维重建，生成Mesh模型；构建手术工具；将所述Mesh模型以及所述手术工具导入虚拟手术环境中；接收通过力反馈装置绘制的手术场景变化；其中，所述力反馈装置用于跟随拖动操作运动，并生成运动状态，并反馈运动效果。本发明能使受训者更直观和详细地了解手术区域的解剖关系，可以从多个视角了解置钉位置是否准确，是否有邻近结构的损伤，从而提高了教学质量，缩短了教学周期，以及能让使用者得到操作过程中的触觉感受。同时，加入了评分机制，使受训者更能融入到训练之中，有效帮助受训者由浅入深的练习，最终扎实的掌握解剖结构和手术技能。立体显示技术的使用，模拟真实椎弓根置钉手术过程，增加了***的沉浸感，具有较强的易用性和实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的椎弓根螺钉植入的虚拟方法的实现流程示意图；
图2是本发明实施例提供的椎弓根螺钉植入的虚拟装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
请参阅图1，是本发明实施例提供的椎弓根螺钉植入的虚拟方法的实现流程，其包括以下步骤：
在步骤S101中，获取包含脊柱图像的CT数据；
在本发明实施例中，将二维序列dicom格式的CT数据读入计算机。
在步骤S102中，对感兴趣区域的脊柱区域进行分割和三维重建，生成Mesh模型；
在本发明实施例中，对感兴趣区域的脊柱区域进行分割和三维重建，生成obj格式的Mesh模型；
在步骤S103中，构建手术工具；
在本发明实施例中，根据实际的牵开器、骨钻、骨钉等按照实际大小在Maya软件里构建手术工具。
在步骤S104中，将所述Mesh模型以及所述手术工具导入虚拟手术环境中；
在本发明实施例中，按照同比例缩放将所述Mesh模型以及所述手术工具导入虚拟手术环境中。
在步骤S105中，接收通过力反馈装置绘制的手术场景变化；其中，所述力反馈装置用于跟随拖动操作运动，并生成运动状态，并反馈运动效果；
在本发明实施例中，使用者拖动力反馈装置的操作手柄，使力反馈装置的操作手柄沿任意方向移动，进而向使用者反馈运动效果，以便于让使用者得到操作过程中的触觉感受。力反馈装置的运动状态记录了力反馈装置的手柄位置以及使用者施加于手柄上的力。
在本发明实施例中，利用OpenGL绘制手术场景的每一步变化，实时的计算绘制速度，其有利于受训者把握手术进度，并且可以缩放、旋转从各个角度观察虚拟手术场景。
在步骤S106中，对绘制的手术场景变化进行立体显示处理，并输出处理后的立体图像。
在本发明实施例中，通过3D眼镜来查看输出的处理后的立体图像。
作为本发明一优选实施例，为了受训者能够了解到手术结果，所述椎弓根螺钉植入的虚拟方法还包括以下步骤：
对绘制的手术场景变化进行运算处理，得到最终手术效果图，并显示所述手术效果图。
作为本发明另一优选实施例，为了增加受训者的学习兴趣，设置了不同的评分机制来增加受训者的学习兴趣，其实现方案如下：
计算通过力反馈装置绘制手术场景变化的完成时间；
判断所述完成时间落在哪一等级范围内；
根据判断结果，确定等级。
例如，在15秒内完成，则确定为高级；在25秒内完成，则确定为中级；在35秒内完成，则确定为低级。
作为本发明另一优选实施例，为了让初学者在对椎弓根置钉手术有一个***的把握之后，对要进行手术的区域有一个直观的认识，保证无经验的训练者可以从有入点提示平缓过度到无入点提示状态，因此，本发明实施例通过在手术模拟中显示入钉点的提示信息。
作为本发明另一优选实施例，所述椎弓根螺钉植入的虚拟方法还包括：对虚拟手术环境中的手术对象设置不同的宽度和硬度，让受训者在一步步提高手术难度的同时，能够熟悉各种手术对象的脊柱骨特性，从而无形中完成了对椎弓根置钉手术中不同手术对象的学习过程。
作为本发明另一优选实施例，所述椎弓根螺钉植入的虚拟方法还包括：在虚拟手术环境中给出椎弓根手术用骨钻末端在手术中的理想范围，配合力反馈算法和力反馈装置，确保受训者在训练过程中能够对手术过程形成肌肉记忆力，为在手术模拟***中准确的完成钻骨过程提供了保障。
请参阅图2，是本发明实施例提供的椎弓根螺钉植入的虚拟装置的结构示意图。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
所述椎弓根螺钉植入的虚拟装置包括：获取模块101、三维重建模块102、手术工具构建模块103、导入模块104、接收模块105、以及立体显示处理模块106。所述椎弓根螺钉植入的虚拟装置可以是软件单元、硬件单元或者是软硬件结合的单元。
获取模块101，用于获取包含脊柱图像的CT数据；
在本发明实施例中，将二维序列dicom格式的CT数据读入计算机。
三维重建模块102，用于对感兴趣区域的脊柱区域进行分割和三维重建，生成Mesh模型；
在本发明实施例中，对感兴趣区域的脊柱区域进行分割和三维重建，生成obj格式的Mesh模型；
手术工具构建模块103，用于构建手术工具；
在本发明实施例中，根据实际的牵开器、骨钻、骨钉等按照实际大小构建手术工具。
导入模块104，用于将所述Mesh模型以及所述手术工具导入虚拟手术环境中；
在本发明实施例中，按照同比例缩放将所述Mesh模型以及所述手术工具导入虚拟手术环境中。
接收模块105，用于接收通过力反馈装置绘制的手术场景变化；其中，所述力反馈装置用于跟随拖动操作运动，并生成运动状态，并反馈运动效果；
在本发明实施例中，使用者拖动力反馈装置的操作手柄，使力反馈装置的操作手柄沿任意方向移动，进而向使用者反馈运动效果，以便于让使用者得到操作过程中的触觉感受。力反馈装置的运动状态记录了力反馈装置的手柄位置以及使用者施加于手柄上的力。
在本发明实施例中，利用OpenGL绘制手术场景的每一步变化，实时的计算绘制速度，其有利于受训者把握手术进度，并且可以缩放、旋转从各个角度观察虚拟手术场景。
立体显示处理模块106，用于对绘制的手术场景变化进行立体显示处理，并输出处理后的立体图像。
作为本发明一优选实施例，为了受训者能够了解到手术结果，所述椎弓根螺钉植入的虚拟装置还包括：
效果图处理模块，用于对绘制的手术场景变化进行运算处理，得到最终手术效果图，并显示所述手术效果图。
作为本发明另一优选实施例，为了增加受训者的学习兴趣，设置了不同的评分机制来增加受训者的学习兴趣，所述椎弓根螺钉植入的虚拟装置还包括：
时间计算模块，用于计算通过力反馈装置绘制手术场景变化的完成时间；
等级判断模块，用于判断所述完成时间落在哪一等级范围内；
等级确定模块，用于根据判断结果，确定等级。
作为本发明另一优选实施例，为了让初学者在对椎弓根置钉手术有一个***的把握之后，对要进行手术的区域有一个直观的认识，保证无经验的训练者可以从有入点提示平缓过度到无入点提示状态，所述椎弓根螺钉植入的虚拟装置还包括：
入点提示模块，用于通过在手术模拟中显示入钉点的提示信息。
作为本发明另一优选实施例，所述椎弓根螺钉植入的虚拟装置还包括：设置模块，用于对虚拟手术环境中的手术对象设置不同的宽度和硬度。让受训者在一步步提高手术难度的同时，能够熟悉各种手术对象的脊柱骨特性，从而无形中完成了对椎弓根置钉手术中不同手术对象的学习过程。
作为本发明另一优选实施例，所述椎弓根螺钉植入的虚拟装置还包括：目标点提示模块，用于在虚拟手术环境中给出椎弓根手术用骨钻末端在手术中的理想范围，配合力反馈算法和力反馈装置，确保受训者在训练过程中能够对手术过程形成肌肉记忆力，为在手术模拟***中准确的完成钻骨过程提供了保障。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个单元中，上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。另外，各功能模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述装置中模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
综上所述，本发明实施例通过对感兴趣区域的脊柱区域进行分割和三维重建，生成Mesh模型；构建手术工具；将所述Mesh模型以及所述手术工具导入虚拟手术环境中；接收通过力反馈装置绘制的手术场景变化；其中，所述力反馈装置用于跟随拖动操作运动，并生成运动状态，并反馈运动效果。本发明能使受训者更直观和详细地了解手术区域的解剖关系，可以从多个视角了解置钉位置是否准确，是否有邻近结构的损伤，从而提高了教学质量，缩短了教学周期，以及能让使用者得到操作过程中的触觉感受。同时，加入了评分机制，使受训者更能融入到训练之中，有效帮助受训者由浅入深的练习，最终扎实的掌握解剖结构和手术技能。立体显示技术的使用，模拟真实椎弓根置钉手术过程，增加了***的沉浸感，具有较强的易用性和实用性。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。
所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明实施例各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述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实施例各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种椎弓根螺钉植入的虚拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
获取包含脊柱图像的CT数据；
对感兴趣区域的脊柱区域进行分割和三维重建，生成Mesh模型；
构建手术工具；
将所述Mesh模型以及所述手术工具导入虚拟手术环境中；
接收通过力反馈装置绘制的手术场景变化；其中，所述力反馈装置用于跟随拖动操作运动，并生成运动状态，并反馈运动效果；
对绘制的手术场景变化进行立体显示处理，并输出处理后的立体图像。
2.如权利要求1所述的椎弓根螺钉植入的虚拟方法，其特征在于，所述椎弓根螺钉植入的虚拟方法还包括以下步骤：
对绘制的手术场景变化进行运算处理，得到最终手术效果图，并显示所述手术效果图。
3.如权利要求1所述的椎弓根螺钉植入的虚拟方法，其特征在于，所述椎弓根螺钉植入的虚拟方法还包括以下步骤：
计算通过力反馈装置绘制手术场景变化的完成时间；
判断所述完成时间落在哪一等级范围内；
根据判断结果，确定等级。
4.如权利要求1所述的椎弓根螺钉植入的虚拟方法，其特征在于，所述椎弓根螺钉植入的虚拟方法还包括以下步骤：
在手术模拟中显示入钉点的提示信息。
5.如权利要求1所述的椎弓根螺钉植入的虚拟方法，其特征在于，所述椎弓根螺钉植入的虚拟方法还包括以下步骤：
对虚拟手术环境中的手术对象设置不同的宽度和硬度。
6.一种椎弓根螺钉植入的虚拟装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取包含脊柱图像的CT数据；
三维重建模块，用于对感兴趣区域的脊柱区域进行分割和三维重建，生成Mesh模型；
手术工具构建模块，用于构建手术工具；
导入模块，用于将所述Mesh模型以及所述手术工具导入虚拟手术环境中；
接收模块，用于接收通过力反馈装置绘制的手术场景变化；其中，所述力反馈装置用于跟随拖动操作运动，并生成运动状态，并反馈运动效果；
立体显示处理模块，用于对绘制的手术场景变化进行立体显示处理，并输出处理后的立体图像。
7.如权利要求6所述的椎弓根螺钉植入的虚拟装置，其特征在于，所述椎弓根螺钉植入的虚拟装置还包括：
效果图处理模块，用于对绘制的手术场景变化进行运算处理，得到最终手术效果图，并显示所述手术效果图。
8.如权利要求6所述的椎弓根螺钉植入的虚拟装置，其特征在于，所述椎弓根螺钉植入的虚拟装置还包括：
时间计算模块，用于计算通过力反馈装置绘制手术场景变化的完成时间；
等级判断模块，用于判断所述完成时间落在哪一等级范围内；
等级确定模块，用于根据判断结果，确定等级。
9.如权利要求6所述的椎弓根螺钉植入的虚拟装置，其特征在于，所述椎弓根螺钉植入的虚拟装置还包括：
入点提示模块，用于通过在手术模拟中显示入钉点的提示信息。
10.如权利要求6所述的椎弓根螺钉植入的虚拟装置，其特征在于，所述椎弓根螺钉植入的虚拟装置还包括：
设置模块，用于对虚拟手术环境中的手术对象设置不同的宽度和硬度。
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