[发明专利]一种脑神经外科虚拟手术训练系统

权利要求书

1.一种脑神经外科虚拟手术训练系统，其特征在于，使用Geomagic Touch力反馈设备作为手术硬件操作平台，通过设备六方向舵机模拟手术器械在空间中的变化以及与脑组织接触后的力反馈情形；通过真实大脑图像数据的三维建模，在Unity3D平台上设计实现与力反馈设备匹配、与现实大脑相近的手术场景，所述系统包括用于实现手术操作的组织切割模块、力反馈模块，用于手术视觉效果显示的可视化模块以及用于模拟手术常用工具的辅助模块；

所述组织切割模块，基于内部点集域约束模型的组织形变，由质点弹簧模型改进而来，在质点弹簧模型的基础上添加内部约束，用于模拟脑部软组织内部的作用力，表现软组织的形变；手术切割的实时渲染，使用一种用于手术切割的实时渲染算法，主要用于手术刀工具操作时计算组织切割后新生成模型顶点纹理坐标，并进行切口重绘和渲染；

基于Geomagic Touch力反馈设备的硬件匹配是指Geomagic Touch力反馈设备与手术训练平台的数据交互；

所述用于手术视觉效果显示的可视化模块，外部输入大脑数据的三维建模，包括大脑数据预处理、根据CT、MRI和fMRI数据类型分别配准、三维重建、网格对应等步骤，用于获得与实际大脑接近的大脑三维模型；光滑粒子流体动力学流血模拟，包括粒子配置、表面重建和GPU并行化处理三个部分，用于实现对切口流血的模拟；

所述用于模拟手术常用工具的辅助模块包括：手术刀工具，用于获取刀尖接触点空间坐标位置，绘制切口；双极电凝器工具，用于改变图像的像素颜色和纹理来表现电凝器对组织的烧灼效果；棉片工具，用于吸去模拟流血的粒子。

2.如权利要求1所述的一种脑神经外科虚拟手术训练系统，其特征在于，所述的组织切割模块包括基于内部点集域约束模型的组织形变模块，所述组织形变模块使用一种基于内部点集域约束的组织形变模型，包含以下步骤：

步骤一，获取大脑软组织表面网格坐标，为所有三角面片顶点添加刚体核

刚体核记录每个质点的初始位置，并在对应的两点之间建立虚拟弹簧，能够模拟受力消失后形变回复的过程，通过虚拟弹簧对发生位移的质点施加一个限制其离开初始位置的力作为约束，确保表面模型上的点在形变过后能恢复到初始位置；

步骤二，建立质点弹簧模型的动力学方程，求解方程初值

软组织的质点弹簧模型中离散后的质点用N_i(i＝1,2...n)表示，质点间连接的弹簧阻尼器用l_ij(i,j∈[1,n],i≠j)表示，任意质点N_i所承受的合力f由内力f_int和外力f_ext两部分组成，其中内力是由与质点N_i相连的弹簧阻尼器l_ij产生的弹簧力f_s和阻尼力f_d组成，有：

其中m_i为质点N_i的质量，k_ij为质点N_i和N_j之间相连弹簧的弹性系数，c_ij为质点N_i和N_j之间阻尼器的阻尼系数，P(i)为与质点N_i相邻的所有质点的集合，x_i和x_j分别为N_i和N_j的位移，为质点N_i和N_j之间相连弹簧的初始长度，由于质点的位移未知，引入质点的速度v这个中间量，将高阶微分方程转化为一阶常微分方程进行求解，每个质点的运动位移和速度表示为

将上式带入弹性形变模型，求解方程得到形变时质点各属性初值；

步骤三，选取点集域的应变分布函数

要选取出精准的内部点集域应变分布函数，需要进行简化处理，选取指数函数来模拟组织内部的应变分布，结合内部点集域建立的表达式为：

其中h_i表示在形变过程中与表面受外力作用的质点对应的点集域中的点i的偏移量，h_j表示点集域中点j的偏移量，d_ij为点集域中点j到点i的距离，a为指数函数底数，s为缩放因子；

步骤四，建立动态形变模型，通过设置一个更新质点域，动态存放迭代过程中将要进行形变计算的质点，当表面质点P_i受到外力作用时，按一定搜索规则将该质点及领域质点存入更新质点域，该质点以及领域质点产生的应变力通过约束弹簧传递给平面T的内部点集P'，当内部点集P'中某点的偏移量大于h时，将与该点对应的表面质点存入更新质点域中，在一次形变过程中存入形变更新域的质点将保持被更新的属性直至此次形变恢复。