[发明专利]一种脑神经外科虚拟手术训练系统

摘要

一种脑神经外科虚拟手术训练系统，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CT、MRI等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。本发明能够对手术操作进行较好的实时跟踪，获得较为真实、准确的触觉反馈和视觉反馈。处理速度通过GPU加速得到极大得提高，能够为脑外科手术训练提供稳定、高效、可重复的训练场景。

主权项

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。