CN111640345A - 脊柱内镜穿刺置管训练方法、装置及计算机设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种脊柱内镜穿刺置管训练方法、装置及计算机设备，该方法获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型，通过标记信息确定虚拟标记点，对虚拟标记点与人体骨骼模型和手术器械模型分别进行绑定，得到绑定人体骨骼模型和绑定手术器械模型，通过绑定手术器械模型在绑定人体骨骼模型上进行穿刺置管操作，并采集所述绑定人体骨骼模型在不同手术***下对应的穿刺置管操作虚拟影像，以根据穿刺置管操作虚拟影像在仿真骨骼模型上进行训练操作；该方法可以不需要在尸体上进行训练操作，而是采用一种虚拟训练方式来训练脊柱内镜手术中的穿刺置管操作，降低了穿刺置管培训的成本。

Description

脊柱内镜穿刺置管训练方法、装置及计算机设备

技术领域

本申请涉及医学领域，特别是涉及一种脊柱内镜穿刺置管训练方法、装置及计算机设备。

背景技术

经皮脊柱内镜手术是近些年迅猛发展的内窥镜技术，已经逐渐成为颈腰椎退变性疾病，尤其是腰椎间盘突出症的主要手术治疗方式。为了加快临床医生在脊柱内镜技术方面的进阶培养，通常需要在穿刺、置管、关节突成型等流程上进行培训。

传统技术中，临床医生在穿刺、置管、关节突成型等流程上的培训，都是直接在尸体上进行训练操作。但是，因尸体的匮乏和昂贵等特点，从而增大了穿刺置管培训的成本。

发明内容

基于此，有必要针对传统技术中穿刺置管培训成本的问题，提供一种脊柱内镜穿刺置管训练方法、装置及计算机设备。

一种脊柱内镜穿刺置管训练方法，所述方法包括：

获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型；

通过所述标记信息确定虚拟标记点，对所述虚拟标记点与所述人体骨骼模型和所述手术器械模型分别进行绑定，得到绑定人体骨骼模型和绑定手术器械模型；

通过所述绑定手术器械模型在所述绑定人体骨骼模型上进行穿刺置管操作，并采集所述绑定人体骨骼模型在不同手术***下对应的穿刺置管操作虚拟影像，以根据所述穿刺置管操作虚拟影像在仿真骨骼模型上进行训练操作。

在其中一个实施例中，所述采集所述绑定人体骨骼模型在不同手术***下对应的穿刺置管操作虚拟影像，包括：

采集所述绑定人体骨骼模型分别处于俯卧位和侧卧位时，对应的穿刺置管操作虚拟影像。

在其中一个实施例中，所述穿刺置管操作虚拟影像包括俯卧虚拟影像和侧卧虚拟影像；所述采集所述绑定人体骨骼模型分别处于俯卧位和侧卧位时，对应的穿刺置管操作虚拟影像，包括：

分别采集所述绑定人体骨骼模型处于所述俯卧位，且所述绑定手术器械模型经椎间孔和经椎板间时，所述绑定人体骨骼模型的冠状面方向和矢状面方向对应的所述俯卧虚拟影像；

分别采集所述绑定人体骨骼模型处于所述侧卧位，且所述绑定手术器械模型经椎间孔时，所述绑定人体骨骼模型的所述冠状面方向和所述矢状面方向对应的所述侧卧虚拟影像。

在其中一个实施例中，所述方法还包括：建立所述虚拟标记点的识别码，与所述人体骨骼模型和所述手术器械模型之间的映射关系。

在其中一个实施例中，所述获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型，包括：

采集所述光学标定架上不同标记点的位置信息，作为所述标记信息；

通过临床医学人体影像进行三维重建，得到骨骼三维模型，并通过所述骨骼三维模型获取所述人体骨骼模型；其中，所述人体骨骼模型包括人体手术部位对应的解刨学位置；

对手术器械进行建模，得到器械三维模型，并通过所述器械三维模型获取所述手术器械模型。

在其中一个实施例中，所述手术器械包括：克氏针、穿刺针、扩张管、定位骨针、骨钻、环锯和工作外套管。

在其中一个实施例中，所述通过所述骨骼三维模型获取所述人体骨骼模型，包括：

对所述骨骼三维模型进行添加材质处理以及着色语言处理，得到所述人体骨骼模型；

所述通过所述器械三维模型获取所述手术器械模型，包括：

对所述器械三维模型进行添加材质处理，得到所述手术器械模型。

在其中一个实施例中，所述人体骨骼模型与仿真人体模型的尺寸相同，且所述手术器械模型与所述手术器械的尺寸相同。

一种脊柱内镜穿刺置管训练装置，所述装置包括：

模型获取模块，用于获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型；

模型绑定模块，用于通过所述标记信息确定虚拟标记点，对所述虚拟标记点与所述人体骨骼模型和所述手术器械模型分别进行绑定，得到绑定人体骨骼模型和绑定手术器械模型；

虚拟影像采集模块，用于通过所述绑定手术器械模型在所述绑定人体骨骼模型上进行穿刺置管操作，并采集所述绑定人体骨骼模型在不同手术***下对应的穿刺置管操作虚拟影像，以根据所述穿刺置管操作虚拟影像在仿真骨骼模型上进行训练操作。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时，实现以下步骤：

获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型；

通过所述标记信息确定虚拟标记点，对所述虚拟标记点与所述人体骨骼模型和所述手术器械模型分别进行绑定，得到绑定人体骨骼模型和绑定手术器械模型；

通过所述绑定手术器械模型在所述绑定人体骨骼模型上进行穿刺置管操作，并采集所述绑定人体骨骼模型在不同手术***下对应的穿刺置管操作虚拟影像，以根据所述穿刺置管操作虚拟影像在仿真骨骼模型上进行训练操作。

本申请实施例提供了一种脊柱内镜穿刺置管训练方法、装置及计算机设备，该方法可以获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型，通过标记信息确定虚拟标记点，对虚拟标记点与人体骨骼模型和手术器械模型进行绑定，得到绑定人体骨骼模型和绑定手术器械模型，通过绑定手术器械模型在绑定人体骨骼模型上进行穿刺置管操作，并采集所述绑定人体骨骼模型在不同手术***下对应的穿刺置管操作虚拟影像，以根据穿刺置管操作虚拟影像在仿真骨骼模型上进行训练操作；该方法可以不需要在尸体上进行训练操作，而是采用一种虚拟训练方式来训练脊柱内镜手术中的穿刺置管操作，降低了穿刺置管培训的成本。

附图说明

图1为本申请一个实施例提供的脊柱内镜穿刺置管训练***的应用场景图；

图2为本申请一个实施例提供的脊柱内镜穿刺置管训练方法的流程示意图；

图3为本申请另一个实施例提供的获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型的具体流程示意图；

图4为本申请另一个实施例提供的临床医学人体影像经三维重建后的三维模型示意图；

图5为本申请另一个实施例提供的人体骨骼模型示意图；

图6为本申请另一个实施例提供的骨骼模型示意图；

图7为本申请另一个实施例提供的仿真人体模型中对应的骨骼模型示意图；

图8为本申请另一个实施例提供的三种不同的手术器械的外观结构示意图；

图9为本申请另一个实施例提供的采集穿刺置管操作虚拟影像的具体流程示意图；

图10为本申请另一个实施例提供的穿刺置管操作虚拟影像示意图；

图11为本申请另一个实施例提供的穿刺置管操作过程中采集到的穿刺置管操作虚拟影像示意图；

图12为本申请另一个实施例提供的实际环境中的穿刺置管影像示意图；

图13为本申请一个实施例提供的脊柱内镜穿刺置管训练装置的结构示意图；

图14为本申请一个实施例提供的计算机设备的内部结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本实施例提供的脊柱内镜穿刺置管训练方法，可以适用于图1所示的脊柱内镜穿刺置管训练***的应用场景图。该***包括计算机设备、仿真人体模型以及手术器械，其中图1中的仿真人体模型和手术器械均绑定有光学标定架标记点，光学标定架的形状为Y字形，每个杆的顶端带有光学标记点，即圆球形；仿真人体模型中光学标定架旁边的黑点为光学标记点。其中，上述计算机设备可以为平板电脑、笔记本电脑、台式电脑或个人数字助理等具有三维建模功能的电子设备，本实施例对计算机设备的具体形式不做限定。

需要说明的是，计算机设备上可以安装光学标定软件、三维建模软件以及三维虚拟现实软件，光学标定软件、三维建模软件分别与三维虚拟现实软件之间有插件可以互相通信，以相互发送虚拟三维模型中的信息，该信息包括虚拟三维模型的位置坐标和实时角度。计算机设备执行本实施例提供的脊柱内镜穿刺置管训练方法，得到穿刺置管操作虚拟影像，并将穿刺置管操作虚拟影像显示在计算机设备界面上，以供临床医生观看，同时，临床医生可以共同参考穿刺置管操作虚拟影像，和穿刺置管操作虚拟影像中绑定手术器械模型的透视位置，采用手术器械在仿真人体模型上进行实操训练。下述方法实施例的执行主体以计算机设备为例来进行说明，在下述的实施例中将具体介绍计算机设备的处理过程。

图2为一实施例提供的一种脊柱内镜穿刺置管训练方法的流程示意图。本实施例涉及的是如何获取穿刺置管操作虚拟影像，以通过穿刺置管操作虚拟影像进行训练操作的过程。如图2所示，该方法包括：

步骤S1000、获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型。

具体的，计算机设备上安装的三维虚拟现实引擎软件可以获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型。人体骨骼模型和手术器械模型也可以表征三维模型的位置坐标和实时角度信息。可选的，三维虚拟现实软件可以为开发游戏、虚拟现实软件等，在本实施例中，三维虚拟现实软件可以为Unity 3D。可选的，光学标定架上标记点的标记信息可以理解为光学标定架上的不同标记点的三维空间位置信息。可选的，不同光学标定架中标记点的数量和大小均可以相同；计算机设备可以获取到的每个光学标定架上至少三个标记点的标记信息；选取的标记点中，两两标记点之间的距离可以不相同，两两标记点之间的距离可以大于最小距离；每个标记点被创建为刚体，该最小距离可以有光学标定软件设置，不同光学标定软件设置的最小距离可以不相同。

其中，所述人体骨骼模型包括椎间孔和椎板间。

需要说明的是，人体骨骼模型可以为人体骨骼对应的虚拟三维模型；该人体骨骼模型可以包括椎体部位，具体可以包括椎体部位包含的椎间孔和椎板间。在本实施例中，上述椎体部位可以为脊柱内镜手术操作部位。可选的，人体骨骼模型具体可以包括椎体部位周围的器官和组织。可选的，人体骨骼模型可以为编辑处理后的虚拟三维模型；编辑处理可以包括添加材质处理、裁剪处理、着色语言处理以及添加文字处理等等。

可以理解的是，上述手术器械模型可以为供脊柱内镜手术使用的手术器械对应的虚拟三维模型。可选的，手术器械模型可以为穿刺扩张以及骨骼处理等器械对应的虚拟三维模型。可选的，手术器械模型可以为编辑处理后的虚拟三维模型。

步骤S2000、通过所述标记信息确定虚拟标记点，对所述虚拟标记点与所述人体骨骼模型和所述手术器械模型分别进行绑定，得到绑定人体骨骼模型和绑定手术器械模型。

具体的，计算机设备上安装的三维虚拟现实引擎软件可以根据获取到不同光学标定架上标记点的标记信息，将标记信息显示出来以获取虚拟标记点，然后将虚拟标记点分别与人体骨骼模型和手术器械模型的位置进行绑定，得到绑定后的绑定人体骨骼模型和绑定手术器械模型。可选的，绑定可以理解为固定虚拟标记点与人体骨骼模型之间相对位置，以及固定虚拟标记点与手术器械模型之间相对位置的过程。在本实施例中，将虚拟标记点分别绑定在人体骨骼模型和手术器械模型上，以确保无论人体骨骼模型和手术器械模型如何变化，可以通过两个模型之间的相对位置来模拟手术中X光放射透视；同时，将虚拟标记点分别绑定在人体骨骼模型和手术器械模型上，还可以对人体骨骼模型和手术器械模型的运动轨迹进行追踪，并进行空间定位。

其中，所述方法还包括：建立所述虚拟标记点的识别码，与所述人体骨骼模型和所述手术器械模型之间的映射关系。

在本实施例中，不同光学标定架对应的虚拟标记点的识别码可以不相同，同一光学标定架对应的虚拟标记点的识别码可以相同，因此，可以建立不同虚拟标记点的识别码，分别与人体骨骼模型和手术器械模型之间的映射关系，以通过识别码区分不同标记点绑定的是人体骨骼模型，还是不同的手术器械模型。可选的，不同光学标定架均有各自的参数属性，根据该参数属性可以确定虚拟标记点的识别码；识别码可以理解为身份标识信息，识别码可以用一串数字和/或字母表示，当然不局限于该种表示方法。

步骤S3000、通过所述绑定手术器械模型在所述绑定人体骨骼模型上进行穿刺置管操作，并采集所述绑定人体骨骼模型在不同手术***下对应的穿刺置管操作虚拟影像，以根据所述穿刺置管操作虚拟影像在仿真骨骼模型上进行训练操作。

具体的，计算机设备上安装的三维虚拟现实引擎软件可以控制绑定手术器械模型，在绑定人体骨骼模型上进行穿刺置管操作，并且在穿刺置管操作的同时，三维虚拟现实引擎软件还可以采集绑定人体骨骼模型，在不同手术***对应的穿刺置管操作虚拟影像。可选的，脊柱内镜手术可以包括腰椎脊柱内镜手术、胸椎脊柱内镜手术以及颈椎脊柱内镜手术，因此，本实施例中的穿刺置管操作至少可以包含经皮椎间孔入路操作和经皮椎板间入路操作。其中，腰椎脊柱内镜手术可以包括经皮椎间孔入路操作和经皮椎板间入路操作，颈椎脊柱内镜手术和胸椎脊柱内镜手术可以包括经皮椎板间入路操作。可选的，上述手术***可以包括侧卧位、仰卧位、俯卧位、半侧卧位、平卧位。

需要说明的是，三维虚拟现实引擎软件可以控制绑定手术器械模型，穿刺绑定人体骨骼模型中的椎间孔和椎板间，并且在穿刺置管操作的过程中，同步采集操作虚拟影像。可选的，在穿刺置管操作的过程中，绑定手术器械模型和绑定人体骨骼模型上均带有虚拟标记点，虚拟标记点运动到虚拟空间的运动位置信息；运动位置信息可以包括虚拟标记点的旋转信息和虚拟标记点在虚拟空间中所处的位置信息。需要说明的是，不同虚拟标记点分别绑定人体骨骼模型和手术器械模型后，绑定手术器械模型在绑定人体骨骼模型上进行穿刺置管操作时，无论绑定手术器械模型还是绑定人体骨骼模型，在虚拟空间中产生位移或旋转，另一个模型也会产生相应单位的位移或旋转。可选的，虚拟空间可以理解为三维虚拟现实引擎软件展示的三维模型操作空间。

在本实施例中，穿刺置管操作虚拟影像中包含绑定手术器械模型在绑定人体骨骼模型中的穿刺位置。进一步地，三维虚拟现实引擎软件可以显示采集到的穿刺置管操作虚拟影像，然后临床医生观察穿刺置管操作虚拟影像中的穿刺位置，并且临床医生根据观察到的穿刺结果，使用手术器械在仿真人体模型上进行实际训练操作；也就是，临床医生使用手术器械在仿真人体模型上的穿刺位置，与穿刺置管操作虚拟影像中的穿刺位置相同。可选的，仿真人体模型上绑定有光学标定架。

可以解释的是，在穿刺置管操作时，虚拟空间中的绑定人体骨骼模型姿态，与实际环境中的仿真人体模型姿态需要保持一致，以提高逼真的训练效果。例如，绑定人体骨骼模型趴在桌子上的姿态，仿真人体模型也需要趴在桌子上，这样如果手术***从俯卧位改变成侧卧位时，仿真人体模型旋转了多少度，虚拟空间中的绑定人体骨骼模型也随之旋转对应角度。

其中，所述人体骨骼模型与仿真人体模型的尺寸相同。

还可以理解的是，仿真人体模型可以通过人体骨骼模型制作得到。可选的，可以采用3D打印技术和仿真材料学技术，将人体骨骼模型制作成仿真人体模型，仿真人体模型可以为一种实物人体模型。在制作过程中采用凹槽卡扣的方式，可以确保脊柱各椎体相对位置关系与人体骨骼模型中各骨性结构相对位置关系保持一致；同时，在制作过程中，得到仿真组织后，还需要进行后处理，后处理可以包括皮肤与肌肉粘连，椎体与椎体通过椎间盘连接，黄韧带放进椎板间等处理。可选的，仿真人体模型也可以包括椎体部位周围的器官和组织。在本实施例中，仿真人体模型的尺寸、内部结构可以设置为与人体骨骼模型的尺寸、内部结构一致，以提高训练操作的逼真性。可选的，仿真人体模型可以为稳定硬组织结构。

本实施例提供了一种脊柱内镜穿刺置管训练方法，该方法可以获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型，通过标定信息确定虚拟标记点，对虚拟标记点与人体骨骼模型和手术器械模型分别进行绑定，得到绑定人体骨骼模型和绑定手术器械模型，通过绑定手术器械模型在绑定人体骨骼模型上进行穿刺置管操作，并采集所述绑定人体骨骼模型在不同手术***下对应的穿刺置管操作虚拟影像，以根据穿刺置管操作虚拟影像在仿真骨骼模型上进行训练操作；该方法可以不需要在尸体上进行训练操作，而是采用一种虚拟训练方式来训练脊柱内镜手术中的穿刺置管操作，降低了穿刺置管培训的成本；同时，该方法还可以在虚拟模型上进行反复穿刺置管操作，能够加快医生的进阶培养质量，减少因训练不足导致的医患纠纷；另外，该方法还可以减少临床医生因实操训练时使用C、G型臂X光机，对人体造成暴露辐射伤害。

图3为另一实施例提供的获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型的具体流程示意图，如图3所示，上述步骤S1000中获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型的过程，具体可以通过以下步骤实现：

步骤S1100、采集所述光学标定架上不同标记点的位置信息，作为所述标记信息。

具体的，计算机设备可以通过安装的光学标定软件采集光学标定架上不同标记点的三维空间位置信息。可选的，光学标定软件可以为一种光学摄像机识别光学标记点的应用程序；光学标定软件可以将不同标记点设置为不同的刚体，该刚体可以理解为物体运动且受力的作用后，形状、大小以及内部各点的相对位置不变的物体。

步骤S1200、通过临床医学人体影像进行三维重建，得到骨骼三维模型，并通过所述骨骼三维模型获取所述人体骨骼模型；其中，所述人体骨骼模型包括人体手术部位对应的解剖学位置。

具体的，临床医学人体影像可以表征为二维图像数据序列；且临床医学人体影像可以通过计算机体层摄影、核磁共振成像等医疗成像设备采集得到。可选的，计算机设备中的三维建模软件可以接收医疗成像设备发送的临床医学人体影像，然后对临床医学人体影像进行三维重建。图4所示为临床医学人体影像示意图，实际中采集到的临床医学人体影像是一种色度图。

需要说明的是，三维重建过程可以表征为对临床医学人体影像进行预处理，之后再对预处理后的图像进行二维图像分割处理，然后对分割处理结果进行可视化映射，重建出人体虚拟组织、器官对应的人体三维模型，然后对人体三维模型可以进行裁剪，并对裁剪后的模型进行编辑处理，裁剪出人体骨骼部位对应的骨骼三维模型，并对该骨骼三维模型进行添加材质处理以及着色语言处理得到人体骨骼模型。可选的，预处理可以包括滤波、增强、复原、插值、缩放、平移等处理；上述二维图像分割处理可以包括基于区域分割处理、基于边缘分割处理、基于像素分割处理以及多尺度分割处理。可选的，骨骼三维模型可以为透明的骨骼模型。其中，图5为带有人体皮肤模型的人体骨骼模型，图6为放大后的仅包含骨骼的骨骼模型，两者实际显示中均为色度图。另外，仿真人体模型中对应的骨骼模型为图7所示。

步骤S1300、对手术器械进行建模，得到器械三维模型，并通过所述器械三维模型获取所述手术器械模型。

在本实施例中，手术器械可以为标准手术器械，因此，标准手术器械均具有对应的标准图纸。可选的，计算机设备上安装的三维建模软件可以导入手术器械对应的标准图纸，并根据标准图纸进行建模，得到器械三维模型。进一步地，三维建模软件可以将器械三维模型发送至三维虚拟现实引擎软件中，三维虚拟现实引擎软件对器械三维模型进行添加材质处理，得到手术器械模型。

另外，利用三维扫描仪可以扫描手术器械，然后三维扫描仪可以将采集到扫描手术器械发送至三维建模软件中，获取到器械三维模型。此时，三维建模软件可以为三维扫描仪FlexScan3D软件。

其中，所述手术器械包括：克氏针、穿刺针、扩张管、定位骨针、骨钻、环锯和工作外套管。

需要说明的是，采集到的穿刺置管操作虚拟影像可以包含可透视的手术器械模型。本实施例的虚拟影像中，可透视的手术器械可以包括克氏针、穿刺针、扩张管、定位骨针、骨钻、环锯和工作外套管。在穿刺置管操作时，需要确保环锯和工作外套管同时工作，互不干扰；但是穿刺置管操作时，可以先放工作外套管再放环锯。如图8所示为三种不同的手术器械的外观结构示意图，且手术器械上绑定有光学标定架，光学标定架的形状为树杈型，即Y字形，且每个枝干顶端均带有一个圆圈。

进一步地，上述步骤S1200中通过所述骨骼三维模型获取所述人体骨骼模型的过程，具体可以包括：对所述骨骼三维模型进行添加材质处理以及着色语言处理，得到所述人体骨骼模型。

可以理解的是，计算机设备中的三维虚拟现实引擎软件可以对骨骼三维模型进行添加材质处理以及着色语言处理，得到人体骨骼模型。可选的，三维虚拟现实引擎软件中设置有添加材质控件和着色语言控件，三维虚拟现实引擎软件可以接收用户输入的添加材质指令和着色语言指令，并响应添加材质指令和着色语言指令，得到人体骨骼模型。可选的，用户输入添加材质指令和着色语言指令的方式，可以为采用鼠标点击添加材质控件和着色语言控件。可选的，用户输入添加材质指令后，三维虚拟现实引擎软件可以响应添加材质指令，首先三维虚拟现实引擎软件界面可以显示一个材质球调节框，设置好调节参数后，点击确定按钮，可以将调节好的材质赋予骨骼三维模型上，并将赋予材质后的骨骼三维模型称为人体骨骼模型。可选的，该人体骨骼模型显示在计算机设备界面上，可以为一种骨骼X光放射效果图像，或者称为人体骨骼模型透视模拟效果材质模型。可选的，着色语言处理可以包括整体透明、边缘硬化、顶点渲染等处理。

同时，上述步骤S1300中通过所述器械三维模型获取所述手术器械模型的过程，具体可以包括：对所述器械三维模型进行添加材质处理，得到所述手术器械模型。

可以理解的是，计算机设备中的三维虚拟现实引擎软件也可以接收用户输入的添加材质指令，并响应添加材质指令，对器械三维模型进行添加材质处理，得到手术器械模型。可选的，对器械三维模型添加的材质可以为灰黑色透明材质。

其中，所述手术器械模型与所述手术器械的尺寸相同。

需要说明的是，手术器械均可以为管类不变形器械。在本实施例，可以将手术器械模型的尺寸设置为与实物手术器械相同的尺寸，并且将手术器械模型的形态与实物手术器械的形态设置为相同，以提高训练操作的逼真性。

本实施例提供了一种脊柱内镜穿刺置管训练方法，该方法可以获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型，进而通过标记信息确定虚拟标记点，将虚拟标记点分别与人体骨骼模型和手术器械模型进行绑定，得到绑定人体骨骼模型和绑定手术器械模型，通过绑定手术器械模型在绑定人体骨骼模型上进行穿刺置管操作，并采集所述绑定人体骨骼模型在不同手术***下对应的穿刺置管操作虚拟影像，以根据穿刺置管操作虚拟影像在仿真骨骼模型上进行训练操作，以便构造出一种虚拟的仿真场景；该方法可以不需要在尸体上进行训练操作，而是采用一种虚拟训练方式来训练脊柱内镜手术中的穿刺置管操作，降低了穿刺置管培训的成本；同时，该方法还可以在虚拟模型上进行反复穿刺置管操作，能够加快医生的进阶培养质量，减少因训练不足导致的医患纠纷；另外，该方法还可以减少临床医生因实操训练时使用C、G型臂X光机，对人体造成暴露辐射伤害。

另一实施例提供的采集穿刺置管操作虚拟影像的具体流程。上述步骤S3000中的采集所述绑定人体骨骼模型在不同手术***下对应的穿刺置管操作虚拟影像的过程，可以包括步骤：采集所述绑定人体骨骼模型分别处于俯卧位和侧卧位时，对应的穿刺置管操作虚拟影像。

具体的，脊柱内镜手术是需要采集人体俯卧位影像和人体侧卧位影像，因此在本实施例中，手术***仅包括俯卧位和侧卧位。进一步地，三维虚拟现实引擎软件可以控制绑定人体骨骼模型分别处于俯卧位和侧卧位姿态，并控制绑定手术器械模型，在绑定人体骨骼模型上进行穿刺置管操作。此时，三维虚拟现实引擎软件中的光学相机插件还可以采集绑定人体骨骼模型，分别在俯卧位和侧卧位对应的穿刺置管操作虚拟影像。可选的，在虚拟空间中建立空间坐标系，绑定人体骨骼模型可以位于原点周围。可选的，光学相机插件可以为虚拟相机插件，用于采集人体所在位置的穿刺置管操作虚拟影像，以确定影响的角度和位置。

其中，所述穿刺置管操作虚拟影像包括俯卧虚拟影像和侧卧虚拟影像；如图9所示，所述采集所述绑定人体骨骼模型分别处于俯卧位和侧卧位时，对应的穿刺置管操作虚拟影像的过程，具体可以包括以下步骤：

步骤S3100、分别采集所述绑定人体骨骼模型处于所述俯卧位，且所述绑定手术器械模型经椎间孔和经椎板间时，所述绑定人体骨骼模型的冠状面方向和矢状面方向对应的所述俯卧虚拟影像。

具体的，三维虚拟现实引擎软件可以控制绑定人体骨骼模型处于俯卧位姿态，然后控制绑定手术器械模型，在绑定人体骨骼模型上经椎间孔穿刺置管操作，并且三维虚拟现实引擎软件中的光学相机插件可以采集穿刺置管操作时，绑定人体骨骼模型分别在冠状面方向和矢状面方向上对应的俯卧虚拟影像。如图10所示为光学相机插件采集到的穿刺置管操作虚拟影像示意图。

以图11中腰椎3-4节段经椎间孔为例，图11中右侧图为侧位图像，小圆圈内表示出口神经根区域，可以理解为穿刺禁区，直线为椎体后1/3处连线，为腹部安全线，直线左侧为腹侧，绑定手术器械模型不能越过直线左边到达腹部，正确活动区域在大圆圈中关节突位置为佳。图11中左侧图为管状面方向上的虚拟影像，绑定手术器械模型不能越过垂直线段(即椎弓根内缘)连线到达椎管内，在腰椎3-4节段手术不能超过椎弓根连线，也就是说必须从两条水平线段之间的区域进入椎间孔。

步骤S3200、分别采集所述绑定人体骨骼模型处于所述侧卧位，且所述绑定手术器械模型经椎间孔时，所述绑定人体骨骼模型的所述冠状面方向和所述矢状面方向对应的所述侧卧虚拟影像。

具体的，三维虚拟现实引擎软件可以控制绑定人体骨骼模型处于侧卧位姿态，然后控制绑定手术器械模型，在绑定人体骨骼模型上经椎板间穿刺置管操作，并且三维虚拟现实引擎软件中的光学相机插件可以采集穿刺置管操作时，绑定人体骨骼模型分别在冠状面方向和矢状面方向上对应的侧卧虚拟影像。

需要说明的是，打开光学相机插件后，虚拟相机图标可以显示在三维虚拟现实引擎软件界面上；虚拟相机图标可以包括两个虚拟相机。可选的，使绑定人体骨骼模型处于俯卧位姿态时，一个虚拟相机可以显示于人体骨骼模型的矢状面方向上，另一个虚拟相机可以显示于人体骨骼模型的冠状面方向上；同时，所有虚拟标记点均在两个虚拟相机的视角范围内，且虚拟相机不被遮挡。可选的，两个虚拟相机可以设置交互拍摄功能，并且两个虚拟相机均添加有圆形遮罩。在本实施例中，虚拟相机采集冠状面和矢状面方向上的虚拟影像时，可以打开圆形遮罩，此时，虚拟相机采集到的虚拟影像显示在三维虚拟现实引擎软件界面上均为圆形影像，如图10所示。

另外，虚拟相机的广角通常可以设置为能够观测到4-5节椎体即可。可选的，计算机设备可以连接一个脚踏开关，然后通过脚踩脚踏开关，调用间盘快捷键命令设置成软件中进行模拟透视拍照功能，即交互拍摄功能。其中，初次使用虚拟相机时，可以先确定相机原点。可选的，两个虚拟相机参数不唯一，虚拟相机在冠状面和矢状面方向上都要高过人体虚拟皮肤模型，这样才能以保证绑定手术器械模型在不同手术***标定时，虚拟相机视角既能显现出人体也能显现出手术器械。可选的，人体虚拟皮肤模型可以为绑定人体骨骼模型表面层的三维模型。

对应地，在实际环境中，如图12所示，图12中最上方类似刷子的长方体结构代表光学相机，中间矩形板代表显示器，最下方桌体上放置的是仿真人体模型，仿真人体模型在趴着时称为俯卧位，图12中中间图和右侧图均为模型俯卧位示意图，中间图为经椎板间穿刺置管操作，右侧图为经椎间孔穿刺置管操作，图12中左侧图为模型侧卧位示意图，也即经椎间孔穿刺置管操作。其中，图12中仿真人体模型中身体一周的长杆为手术器械，仿真人体模型一般会固定在桌子的机械架上，机械架旁边为光学标定架。

本实施例提供了一种脊柱内镜穿刺置管训练方法，该方法可以采集绑定人体骨骼模型分别处于俯卧位和侧卧位时，对应的穿刺置管操作虚拟影像，以便根据穿刺置管操作虚拟影像在仿真骨骼模型上进行训练操作；该方法可以不需要在尸体上进行训练操作，而是采用一种虚拟训练方式来训练脊柱内镜手术中的穿刺置管操作，降低了穿刺置管培训的成本；另外，该方法还可以减少临床医生因实操训练时使用C、G型臂X光机，对人体造成暴露辐射伤害。

应该理解的是，虽然图2、3和9的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2、3和9中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

关于脊柱内镜穿刺置管训练装置的具体限定可以参见上文中对于脊柱内镜穿刺置管训练方法的限定，在此不再赘述。上述计算机设备的脊柱内镜穿刺置管训练装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

图13为一实施例提供的脊柱内镜穿刺置管训练装置的结构示意图。如图13所示，该装置可以包括：信息获取模块11、模型绑定模块12以及虚拟影像采集模块13。

具体的，所述信息获取模块11，用于获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型；

所述模型绑定模块12，用于通过所述标记信息确定虚拟标记点，对所述虚拟标记点与所述人体骨骼模型和所述手术器械模型分别进行绑定，得到绑定人体骨骼模型和绑定手术器械模型；

所述虚拟影像采集模块13，用于通过所述绑定手术器械模型在所述绑定人体骨骼模型上进行穿刺置管操作，并采集所述绑定人体骨骼模型在不同手术***下对应的穿刺置管操作虚拟影像，以根据所述穿刺置管操作虚拟影像在仿真骨骼模型上进行训练操作。

其中，所述人体骨骼模型包括椎间孔和椎板间。

本实施例提供的脊柱内镜穿刺置管训练装置，可以执行上述方法实施例，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

在其中一个实施例中，所述虚拟影像采集模块13包括：影像采集单元。

具体的，所述影像采集单元，用于采集所述绑定人体骨骼模型分别处于俯卧位和侧卧位时，对应的穿刺置管操作虚拟影像。

本实施例提供的脊柱内镜穿刺置管训练装置，可以执行上述方法实施例，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

在其中一个实施例中，所述穿刺置管操作虚拟影像包括俯卧虚拟影像和侧卧虚拟影像；所述影像采集单元包括：俯卧虚拟影像采集子单元和侧卧虚拟影像采集子单元。

具体的，所述俯卧虚拟影像采集子单元，用于分别采集所述绑定人体骨骼模型处于所述俯卧位，且所述绑定手术器械模型经椎间孔和经椎板间时，所述绑定人体骨骼模型的冠状面方向和矢状面方向对应的所述俯卧虚拟影像；

所述侧卧虚拟影像采集子单元，用于分别采集所述绑定人体骨骼模型处于所述侧卧位，且所述绑定手术器械模型经椎间孔时，所述绑定人体骨骼模型的所述冠状面方向和所述矢状面方向对应的所述侧卧虚拟影像。

本实施例提供的脊柱内镜穿刺置管训练装置，可以执行上述方法实施例，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

在其中一个实施例中，所述脊柱内镜穿刺置管训练装置还包括：映射建立模块。

其中，所述映射建立模块，用于建立所述光学标定架上标记点的识别码，与所述人体骨骼模型和所述手术器械模型之间的映射关系。

本实施例提供的脊柱内镜穿刺置管训练装置，可以执行上述方法实施例，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

在其中一个实施例中，所述信息获取模块11包括：标记信息获取单元、三维重建单元以及建模单元。

具体的，所述标记信息获取单元，用于采集所述光学标定架上不同标记点的位置信息，作为所述标记信息；

所述三维重建单元，用于通过临床医学人体影像进行三维重建，得到骨骼三维模型，并通过所述骨骼三维模型获取所述人体骨骼模型；其中，所述人体骨骼模型包括人体手术部位对应的解刨学位置；

所述建模单元，用于对手术器械进行建模，得到器械三维模型，并通过所述器械三维模型获取所述手术器械模型。

其中，所述手术器械包括：克氏针、穿刺针、扩张管、定位骨针、骨钻、环锯和工作外套管。

本实施例提供的脊柱内镜穿刺置管训练装置，可以执行上述方法实施例，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

在其中一个实施例中，所述三维重建单元具体用于对所述骨骼三维模型进行添加材质处理以及着色语言处理，得到所述人体骨骼模型；所述建模单元具体用于对所述器械三维模型进行添加材质处理，得到所述手术器械模型。

其中，所述人体骨骼模型与仿真人体模型的尺寸相同，且所述手术器械模型与所述手术器械的尺寸相同。

本实施例提供的脊柱内镜穿刺置管训练装置，可以执行上述方法实施例，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，其内部结构图可以如图14所示。该计算机设备包括通过***总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作***和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作***和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的计算机设备通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种脊柱内镜穿刺置管训练方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

本领域技术人员可以理解，图14中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型；

通过所述标记信息确定虚拟标记点，对所述虚拟标记点与所述人体骨骼模型和所述手术器械模型分别进行绑定，得到绑定人体骨骼模型和绑定手术器械模型；

通过所述绑定手术器械模型在所述绑定人体骨骼模型上进行穿刺置管操作，并采集所述绑定人体骨骼模型在不同手术***下对应的穿刺置管操作虚拟影像，以根据所述穿刺置管操作虚拟影像在仿真骨骼模型上进行训练操作。

在一个实施例中，提供了一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型；

通过所述标记信息确定虚拟标记点，对所述虚拟标记点与所述人体骨骼模型和所述手术器械模型分别进行绑定，得到绑定人体骨骼模型和绑定手术器械模型；

通过所述绑定手术器械模型在所述绑定人体骨骼模型上进行穿刺置管操作，并采集所述绑定人体骨骼模型在不同手术***下对应的穿刺置管操作虚拟影像，以根据所述穿刺置管操作虚拟影像在仿真骨骼模型上进行训练操作。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种脊柱内镜穿刺置管训练方法，其特征在于，所述方法包括：

获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型；

通过所述标记信息确定虚拟标记点，对所述虚拟标记点与所述人体骨骼模型和所述手术器械模型分别进行绑定，得到绑定人体骨骼模型和绑定手术器械模型；

通过所述绑定手术器械模型在所述绑定人体骨骼模型上进行穿刺置管操作，并采集所述绑定人体骨骼模型在不同手术***下对应的穿刺置管操作虚拟影像，以根据所述穿刺置管操作虚拟影像在仿真骨骼模型上进行训练操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述人体骨骼模型包括椎间孔和椎板间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采集所述绑定人体骨骼模型在不同手术***下对应的穿刺置管操作虚拟影像，包括：

采集所述绑定人体骨骼模型分别处于俯卧位和侧卧位时，对应的穿刺置管操作虚拟影像。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述穿刺置管操作虚拟影像包括俯卧虚拟影像和侧卧虚拟影像；所述采集所述绑定人体骨骼模型分别处于俯卧位和侧卧位时，对应的穿刺置管操作虚拟影像，包括：

分别采集所述绑定人体骨骼模型处于所述俯卧位，且所述绑定手术器械模型经椎间孔和经椎板间时，所述绑定人体骨骼模型的冠状面方向和矢状面方向对应的所述俯卧虚拟影像；

分别采集所述绑定人体骨骼模型处于所述侧卧位，且所述绑定手术器械模型经椎间孔时，所述绑定人体骨骼模型的所述冠状面方向和所述矢状面方向对应的所述侧卧虚拟影像。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：建立所述光学标定架上标记点的识别码，与所述人体骨骼模型和所述手术器械模型之间的映射关系。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型，包括：

采集所述光学标定架上不同标记点的位置信息，作为所述标记信息；

通过临床医学人体影像进行三维重建，得到骨骼三维模型，并通过所述骨骼三维模型获取所述人体骨骼模型；其中，所述人体骨骼模型包括人体手术部位对应的解剖学位置；

对手术器械进行建模，得到器械三维模型，并通过所述器械三维模型获取所述手术器械模型。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述手术器械包括：克氏针、穿刺针、扩张管、定位骨针、骨钻、环锯和工作外套管。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述通过所述骨骼三维模型获取所述人体骨骼模型，包括：

对所述骨骼三维模型进行添加材质处理以及着色语言处理，得到所述人体骨骼模型；

所述通过所述器械三维模型获取所述手术器械模型，包括：

对所述器械三维模型进行添加材质处理，得到所述手术器械模型。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述人体骨骼模型与仿真人体模型的尺寸相同，且所述手术器械模型与所述手术器械的尺寸相同。

10.一种脊柱内镜穿刺置管训练装置，其特征在于，所述装置包括：

信息获取模块，用于获取光学标定架上标记点的标记信息、人体骨骼模型和手术器械模型；

模型绑定模块，用于将所述标记信息，与所述人体骨骼模型和所述手术器械模型分别进行绑定，得到绑定人体骨骼模型和绑定手术器械模型；

虚拟影像采集模块，用于通过所述绑定手术器械模型在所述绑定人体骨骼模型上进行穿刺置管操作，并采集所述绑定人体骨骼模型在不同手术***下对应的穿刺置管操作虚拟影像，以根据所述穿刺置管操作虚拟影像在仿真骨骼模型上进行训练操作。

11.一种计算机设备，包括存储器、处理器，所述存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至9中任一项所述方法的步骤。

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