一种手术模拟系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及虚拟手术技术领域，更具体地说，涉及一种手术模拟系统及方法，尤其是带有触觉反馈的人体器官穿刺或切割手术模拟系统及方法。
【背景技术】
[0002]穿刺和切割是外科手术中非常常见的操作，也几乎是每个医生应该掌握的基本常用技能之一。对于像介入肿瘤、胎儿诊断、射频肿瘤消融、局部麻醉、经皮穿刺导管插入和内窥镜等手术，由于手术难度比较高，需要精湛的技术。而精湛的技术需要经过大量的培训获得，比如，外科医生可能需要在数十位病人身上实践才能掌握该技能，但由于很多手术都具有很高的风险性，因此，通过在病人身上实践以掌握这些技能显然是不可行的。使用人体仿真物理模型在进行医学培训具有悠久的历史，人体仿真物理模型是一个模拟真实器官的物体，它可以提供类似实际操作中的情况，但是，由于模型的局限性，无法真实重建人体内部的实际构造，甚至会对基本的操作带来误导。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种手术模拟系统及方法，可以用于手术模拟培训，以帮助医生快速掌握切割或穿刺等技能。
[0004]本发明的手术模拟系统包括:模拟平台，所述模拟平台上设置有用于模拟人体器官以供切割和/或穿刺的物理模型；
[0005]力回馈装置，所述力回馈装置上设置有力回馈致动器以及手术器械连接部件，所述力回馈致动器的位置由内置或外置的三维传感器侦测和记录，所述手术器械连接部件可拆卸的连接有所述手术器械；
[0006]三维跟踪器，所述三维跟踪器为深度相机、光学跟踪仪或电磁跟踪仪，用于跟踪所述手术器械的外露部分的位置和方向，侦测和记录所述手术器械在物理模型上的切割和/或穿刺点的位置；
[0007]控制模块，所述控制模块与所述力回馈装置、三维跟踪器和显示装置电信号连接，所述控制模块根据所述力回馈致动器以及所述三维跟踪器的信号控制所述力回馈装置并在显示装置上显示相应的图像。
[0008]在本发明所述的手术模拟系统中，所述手术器械插入所述物理模型之前，由所述力回馈装置提供回馈力；所述手术器械刺入所述物理模型时，由所述力回馈装置、以及所述物理模型一起提供回馈力；所述手术器械在所述物理模型内操作时，由所述力回馈装置、以及所述物理模型内部的摩擦一起提供回馈力。
[0009]在本发明所述的手术模拟系统中，所述手术器械为穿刺或/和切割器械，所述手术器械包括可旋转的手柄以及设置在手柄上的针头或刀锋。
[0010]在本发明所述的手术模拟系统中，所述显示装置用于显示虚拟器官和/医学图像。
[0011]在本发明所述的手术模拟系统中，所述物理模型由具有柔软表面的膜制成以供所述手术器械反复切割和/或穿刺，所述物理模型内部填充有软质材料以在所述手术器械插入时提供摩擦力并限制所述手术器械插入之后的路径。
[0012]本发明所提供的手术模拟方法包括:
[0013]提供模拟平台，所述模拟平台上设置有用于模拟人体器官以供切割和/或穿刺的物理模型；
[0014]用力回馈装置模拟手术时所产生的作用到操作人员的回馈力，所述力回馈装置上设置有力回馈致动器以及手术器械连接部件，所述力回馈致动器的位置由内置或外置的三维传感器侦测和记录，所述手术器械连接部件可拆卸的连接有所述手术器械；
[0015]用三维跟踪器用于跟踪所述手术器械的外露部分的位置和方向，侦测和记录所述手术器械在物理模型上的切割和/或穿刺点的位置，所述三维跟踪器为深度相机、光学跟踪仪或电磁跟踪仪；
[0016]用控制模块根据所述力回馈致动器以及所述三维跟踪器的信号控制所述力回馈装置并通过所述显示装置显示相应的图像。
[0017]在本发明所述的手术模拟方法中，所述手术器械插入所述物理模型之前，由所述力回馈装置提供回馈力；所述手术器械刺入所述物理模型时，由所述力回馈装置、以及所述物理模型一起提供回馈力；所述手术器械在所述物理模型内操作时，由所述力回馈装置、以及所述物理模型内部的摩擦一起提供回馈力。
[0018]在本发明所述的手术模拟方法中，所述手术器械为穿刺或/和切割器械，所述手术器械包括可旋转的手柄以及设置在手柄上的针头或刀锋。
[0019]在本发明所述的手术模拟方法中，用显示装置显示虚拟器官和/医学图像。
[0020]在本发明所述的手术模拟方法中，所述物理模型由具有柔软表面的膜制成以供所述手术器械反复切割和/或穿刺，在所述物理模型内部填充有软质材料以在所述手术器械插入时提供摩擦力并限制所述手术器械插入之后的路径。
[0021]实施本发明的手术模拟系统及方法，具有以下有益效果:本发明的手术模拟系统及方法采用力回馈装置和物理模型相结合的方式进行手术模拟，可以更加逼真的模拟真实手术的场景，以帮助医务人员快速掌握手术技能。
【附图说明】
[0022]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0023]图1是本发明的手术模拟系统的示意图。
[0024]其中:101、力回馈装置，102、力回馈致动器，103、手术器械连接部件，201、手术器械，202、手术器械的插入到物理模型内的部分，301、物理模型，302、模拟平台，303、穿刺点，401、显示装置，402、显示图像，403、三维跟踪器。
【具体实施方式】
[0025]为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的【具体实施方式】。
[0026]如图1所示，为本发明的手术模拟系统的示意图，其用于穿刺和/切割等基本手术操作的模拟。如图所示，该手术模拟系统包括模拟平台302、力回馈装置101、三维跟踪器403、显示装置401和控制模块。
[0027]其中，模拟平台302作为进行模拟穿刺和/切割操作的平台，模拟平台302上设置物理模型301，物理模型301用于模拟人体器官，以供进行穿刺和/切割操作，物理模型301可以根据需要更换，以提供不同的手术操作模拟。
[0028]力回馈装置101用于模拟手术时作用于操作者的回馈力，力回馈装置101上设置有力回馈致动器102以及手术器械连接部件103。力回馈致动器102包括步进电机和/或定位致动器，用于模拟手术时操作者所体验到的回馈力，也即阻力，力回馈致动器102的位置由内置或外置的三维传感器侦测和记录。手术器械连接部件103可拆卸的连接有所述手术器械201，手术器械可以是用于穿刺和/切割的手术器械，或者进行其他手术操作的手术器械。
[0029]三维跟踪器403可以是深度相机、光学跟踪仪或电磁跟踪仪等传感器件，用于跟踪手术器械201的外露部分的位置和方向，侦测和记录手术器械201在物理模型301上的切割和/或穿刺点的位置，三维跟踪器403将手术器械201的运动，并将获得的信息传输给控制模块，控制模块通过视觉分析算法，本发明采用模板匹配的方法来识别手术器械201的刺入物理模型301的部分，例如手术器械201的针头或刀锋，用以精确计算虚拟器官和手术器械的变形和触觉模拟，从而可以加强计算的精确度，并估算插入后的手术器械的弯曲程度。
[0030]显示装置401可以是一般的显示装置或者是带有触摸屏的显示装置，其用于显示虚拟器官和/医学图像402。
[0031]控制模块可以是计算机或者服务器，用于整个手术模拟系统的控制，控制模块分别与力回馈装置101、三维跟踪器403和显示装置401电信号连接，控制模块根据力回馈致动器102以及三维跟踪器403的信号控制力回馈装置101并在显示装置401上显示相应的图像，力回馈装置的回馈力大小，由控制模块根据三维跟踪器403的信号进行计算后获得。
[0032]穿刺和/切割操作的力模型计算会考虑到模拟平台接收到的路径限制力以及其他各个阶段的力模型。手术器械201插入物理模型301之前，由力回馈装置101提供回馈力；手术器械201刺入物理模型301时，由力回馈装置101、以及物理模型301 —起提供回馈力；手术器械201在物理模型301内操作时，由力回馈装置101、以及物理模型301内部的摩擦一起提供回馈力。
[0033]本发明的手术模拟系统的手术器械201可以为穿刺器械、切割器械或其他手术器械，其中穿刺器械包括可旋转的手柄以及设置在手柄上的针头，切割器械包括可旋转的手柄以及设置在手柄上的刀锋