[发明专利]一种具有真实力反馈的脊柱微创手术培训系统及方法

说明书

本发明涉及一种具有真实力反馈的脊柱微创手术培训系统及方法，包括实验平台、手术器械和PC机，所述实验平台包括设置于底面的操作平台，在操作平台的面板中部设置脊柱物理模型夹持结构，用于夹持脊柱物理模型；在脊柱物理模型的正上方垂直于操作平台放置双目摄像机；所述双目摄像机通过双目摄像机支架设置于操作平台上，且通过电缆连接PC机；在所述手术器械的末端设置参考架。由于本发明的力反馈是真实的，可以给医生带来逼真的触觉感受，大大缩短培训医生的时间；使培训者多角度、多方位的观察椎弓根螺钉的植入情况，给培训者真实的视觉反馈，真正达到培训的目的；并且满足脊柱微创手术培训系统高精度的要求。

技术领域

本发明涉及医疗培训和计算机视觉领域，具体地说是一种具有真实力反馈的脊柱微创手术培训系统及方法。

背景技术

当前国内外绝大多数虚拟仿真培训系统主要是针对腹腔镜和内窥镜手术中软组织切割和变形的模拟和培训，对于骨组织的手术模拟和培训，只有少量国外学者进行了相关方面的研究。例如，D.Morris等开发了一套适用于颞骨手术培训的虚拟仿真系统。该系统集成了触觉、视觉和听觉等感官反馈，能够对一些简单的钻孔操作进行模拟和培训。Petersik等研究了一种基于多点碰撞检测的力触觉绘制算法，基于该算法他们所开发的岩骨手术仿真系统在钻孔模拟时能够提供非常逼真的振动感。J.Cordes等研发一套治疗脊柱疾病的虚拟仿真培训系统，通过人机交互界面和专家经验等，该系统实现了对脊柱手术操作的仿真。

以上培训系统存在一个共性的问题，无法向培训者提供真实准确的力反馈，其主要原因是骨组织手术操作的力学模型比较复杂，不仅与骨密度、骨厚度等骨组织属性有关，同时也会受到手术操作时切割速度、深度以及手术器械的微动频率等因素的影响，所以很难建立骨组织力学仿真的物理模型。并且脊柱手术对精度的要求更为严格，螺钉植入的宽度只有10mm～15mm，稍有偏差就会损伤脊柱神经，造成不可逆的后果。所以在手术培训系统中，获得精确、逼真的力反馈至关重要，这也一直都是限制虚拟手术培训系统质量提升的瓶颈所在。

现阶段动态跟踪算法无法同时满足准确性、鲁棒性、实时性要求。例如，传统的结合kalman滤波的meanshift算法，虽较好的解决了目标遮挡和目标快速移动的问题，但是在目标运动方向突然变化时，鲁棒性较差。结合传统不变矩和kalman的跟踪算法鲁棒性较强，但是实时性比较差且不适合目标遮挡的情况。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种通过真实的手术器械和脊柱物理模型，结合仿射不变矩特征匹配和Kalman滤波的meanshift运动目标跟踪算法，获得真实的力反馈的脊柱微创手术培训系统及方法，给培训者提供更真实的手术体验。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种具有真实力反馈的脊柱微创手术培训系统，包括实验平台、手术器械6和PC机，所述实验平台包括设置于底面的操作平台1，在操作平台1的面板中部设置脊柱物理模型夹持结构2，用于夹持脊柱物理模型3；在脊柱物理模型3的正上方垂直于操作平台1放置双目摄像机4；所述双目摄像机4通过双目摄像机支架5设置于操作平台1上，且通过电缆连接PC机；在所述手术器械6的末端设置参考架7。

所述参考架7包括四个标志球和两个横梁，其中每个横梁两端设置两个颜色相同的标志球，且两个横梁上的标志球颜色不同，每个标志球到参考架中心的距离均相同。

在所述操作平台1上设置手术器械托架，用于放置手术器械6。

一种具有真实力反馈的脊柱微创手术培训方法，包括以下步骤：

步骤1：采用基于平面的棋盘格标定算法对双目摄像机进行标定，获得摄像机坐标系与图像像素坐标系之间的转换关系；

步骤2：通过双目摄像机对脊柱模型进行三维重建，获得实际空间脊柱模型的局部点云；