[发明专利]一种面向微创心血管介入手术的训练场景模拟系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算机虚拟现实技术领域，特别涉及一种用于微创心血管介入手术的模拟训练场景的构建方法及系统，为微创心血管介入手术的虚拟训练系统提供其中的可视化部分。训练对象是将要使用机器人或者按照传统方式进行微创心血管介入手术的医师。本发明属医疗设备技术领域、计算机图形学领域、虚拟现实技术领域、医学影像处理、介入放射学和外科学等领域。

背景技术

微创介入手术(Minimally Invasive Surgery，MIS)是当代医学的重要领域。它以其切口小、创伤轻、痛苦少和恢复快的特点，为患者提供了一种安全、可靠、有效的医疗解决方案。微创介入手术除了以医学和人体解剖学为理论和方法学基础外，还需要现代科学技术和工程学的支持，后者是微创介入手术安全性和可靠性的保障。随着微创外科手术的普遍被接受，希望通过这种手术治疗疾病的病患的数量正在不断增长，面对这个日益庞大的医疗服务需求，外科手术机器人技术应运而生，并在医学界和工程界的长期通力合作下取得不断的发展和广泛的应用。将特殊设计的机器人应用于传统外科领域，不仅可以显著提高手术的效率和安全性，而且可以最大限度地降低医师个人技能对手术效果的影响[1]，从而提高手术成功率。目前我国在医疗手术机器人，尤其是微创介入手术机器人方面的研究和开发还比较落后，而美国、日本、意大利等国家，由于其起步早、投入大，研究与应用水平处于国际前列。

血管介入治疗手术是当前治疗血管疾病的重要手段。卫生统计数据显示[2]，2008年，我国城市人口的心血管疾病死亡率高居我国城镇人口主要疾病死亡率第二位，农村人口的心血管疾病死亡率居我国农村人口主要疾病死亡率第四位。在社会生活的巨大压力的影响下，罹患心血管疾病的人口数量不断增多，患者通过类似手术治疗的需求随之上升。设计精良的微创血管介入手术机器人的广泛应用不仅能降低进行此类手术对医生的传统手工手术技能和个人手术经验的依赖，并提高手术的效率和治愈率。

微创血管介入手术机器人的一般手术过程是：术前，医生通过医学影像设备记录患者的手术区域的生理情况，并与正常的人体生理结构进行对照，同时对影像进行三维重建以获得具有仿真物理特性病区血管的可视化模型，医生以此为基础确定病理和手术方案；术中，医生对病区血管施用显影剂后，进行数字减影血管造影(Digital Subtraction Angiography，DSA)，造影结果用于引导医生通过机器人控制导管的进给；术后，医生对患者病区进行复查，评估手术效果和患者恢复情况。

然而，手术机器人的顺利工作需要受过良好训练的医生来操作，以确保手术的安全性和可靠性。对利用手术机器人进行微创介入手术的医生进行全面的培训，仅依靠传统的讲座和资料学习是不能满足需要的，而传统的训练方法是在活体动物或者人类尸体上进行：活体动物的生理结构与人类的生理结构存在较大差异，且因其价格和动物的死亡率而受到限制，再者，一只活体动物通常仅能供一名受训者练习一次；人类尸体不仅成本高而且其生理结构仍与活体存在一定差别。因此，进行机器人手术技术培训需要给受训者提供一种“浸入的(Immersive)”、“可发挥想象的(Imaginative)”、“可交互的(Interactive)”感官环境，让受训者在培训室就能获得与在真实手术场景中进行手术相似的感受。这样可以使受训者更好地掌握相关的操作技能、适应手术过程中的各种条件。借助现代传感器技术、控制理论、医学影像技术和计算机图形学，虚拟手术训练系统可以对医学院学员和初级外科医生进行手术操作技能培训，它可以降低活体动物实验和人类遗体实验的成本和风险；再者，能更容易地把技能娴熟的医师的操作经验传授给新学员；另外，还可用于临床手术的术前规划和一些高难度手术的术前方案演练，从而提高机器人微创介入手术的成功率。

在目前的已有技术中，清华大学计算机科学与技术系与北京航空航天大学机器人研究所联合开发了基于虚拟现实的计算机辅助立体定向神经外科手术系统[3]针对的是神经外科手术，尤其是对人脑的组织结构的三维重建以及在此基础上的脑部虚拟手术。华南师范大学计算机学院和南方医科大学珠江医院联合开发了用于腹腔外科手术的仿真系统[4][5]针对的则是腹腔外科手术，它是一种针对腹腔手术医学影像的特殊性而建立的手术仿真系统。

但是，上述系统只能应用在其相应的领域，而不能简单地移植到心血管系统的手术仿真领域。由于人血管系统的高度复杂性和血管本身复杂的物理特性和动力学，针对心血管系统的手术仿真系统就必须要考虑到这些高复杂性的问题，并在虚拟模型中得到具体、仿真、实时的体现。

与本发明专利有关的已有技术或参考文献主要有：