[发明专利]一种模拟气管内插管术的方法及系统

权利要求书

1.一种模拟气管内插管术的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1构建人体头部和颈部、喉镜和导管的三维网格化模型，以此获得人体三维网格模型以及喉镜和导管的三维模型；

S2调整所述人体三维网格模型的角度和位置，移动所述喉镜的三维模型使其进入所述人体三维网格模型的口腔中直至口腔中的声门，移动所述导管的三维模型使其进入声门，然后将导管插入气管中，以此实现所述人体三维网格模型气管的内插管，其中，在所述喉镜进入所述口腔的过程中，判断所述喉镜是否与口腔内的组织发生碰撞，所述导管进入所述口腔的过程中，判断所述导管是否与喉镜和口腔内的组织发生碰撞，当碰撞发生时，计算发生碰撞部位组织的变形量和受到的力；

S3将碰撞部位组织的变形量和受到的力输出和呈现；

在步骤S2中，判断所述喉镜是否与口腔内的组织发生碰撞时，以及判断所述导管是否与喉镜和口腔内的组织发生碰撞，需要分别将所述喉镜、口腔内部组织和导管进行简化，获得简化后的模型，然后计算简化后的模型在移动过程中是否发生碰撞，以此实现碰撞的判断；

将所述口腔内部组织简化按照下列步骤进行：

(1)在人体三维网格模型上八个位置设置骨关节点，分别为：气管处、会厌谷与脊柱之间的中点、舌根处、下颚处、上颚处、眼睛和耳朵之间的中点和悬雍垂首尾两端；

(2)依次连接气管处、会厌谷与脊柱之间的中点、舌根处和下颚处的骨关节点，然后连接舌根处与上颚处的骨关节点，再连接会厌谷与脊柱之间的中点与眼睛和耳朵之间的中点的骨关节点，最后依次连接会厌谷与脊柱之间的中点和悬雍垂首尾两端的骨关节，以此获得六块简化的骨骼；

(3)将上述六块简化的骨骼采用NURBS曲线拟合，获得一条NURBS曲线，该曲线即为所述口腔内部组织简化后的模型。

2.如权利要求1所述的一种模拟气管内插管术的方法，其特征在于，将所述喉镜简化按照下列步骤获得：

(1)以喉镜的手柄与镜片相交的交点为原点，手柄方向为Z轴方向建立三维坐标；

(2)对于喉镜的手柄，根据其长度将其简化为Z轴方向的线段，对于喉镜的镜片部分，采用其外轮廓作为其简化模型，以此获得喉镜的简化模型。

3.如权利要求1所述的一种模拟气管内插管术的方法，其特征在于，将所述导管简化按照下列步骤进行：在所述导管上选取多个节点，将多个节点依次连接即获得所述导管的简化模型。

4.如权利要求1所述的一种模拟气管内插管术的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述计算发生碰撞部位的组织的变形量按照下列表达式计算：

Δx＝λ▽_xC

其中，Δx是人体三维网格模型上发生碰撞部位处网格点x的位移，λ是拉格朗日乘子，▽_xC是点x约束函数的梯度。

5.如权利要求1所述的一种模拟气管内插管术的方法，其特征在于，所述计算发生碰撞部位受到的力按照下列表达式进行计算：

F＝k*d-b*v

其中，F是发生碰撞部位处受到的作用力，k是弹性系数，d是喉镜或导管的实际位置与碰撞检测处理完成时虚拟位置差向量，b是阻尼系数，v是喉镜或导管移动的速度矢量。

6.如权利要求1所述的一种模拟气管内插管术的方法，其特征在于，在步骤S3中，所述将碰撞部位组织的变形量和受到的力输出和呈现采用下列方式，对于碰撞部位组织的变形量，将其通过显示装置进行显示，对于受到的力，通过相应的力反馈装置传递给操作者。

7.一种权利要求1-6任一项所述的方法应用的系统，其特征在于，该系统包括手术仿真系统主机、力触觉反馈装置和显示装置，其中：

所述手术仿真系统主机同时与所述显示装置和力触觉反馈装置连接，所述力触觉反馈装置上设置有手柄，用于控制所述喉镜和导管的移动，同时当手术仿真系统主机中计算发生碰撞过程中的力后，将该力反馈给力触觉反馈装置，该装置在手柄上产生相同大小的力，使得手柄操作者体验碰撞过程中的力；

所述显示装置用于显示整个内插管过程；

所述手术仿真系统主机中包括三维模型构建模块和碰撞检测模块，所述三维模型构建模块用于构建人体三维网格模型、喉镜和导管的三维模型，并将其进行图形的渲染处理使得其更加逼真；所述碰撞检测模块用于检测在插管过程中导管、喉镜和口腔内部组织是否发生碰撞。