[实用新型]一种具有真实力反馈的脊柱微创手术培训系统

说明书

技术领域

本实用新型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。

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。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种通过真实的手术器械和脊柱物理模型，获得真实的力反馈的脊柱微创手术培训系统，给培训者提供更真实的手术体验。

本实用新型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。

脊柱物理模型3是模拟人类真实的脊柱通过3D打印而成。

双目摄像机4的分辨率至少为1280×960。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

1.由于本实用新型的力反馈是真实的，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；

2.本实用新型可以使培训者多角度、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；

3.本实用新型满足脊柱微创手术培训系统高精度的要求。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构连接图；

图2是本实用新型的手术器械示意图；

图3是本实用新型的方法流程图；

图4是提取实际空间脊柱模型的局部点云流程图；

图5是结合仿射不变矩特征匹配和kalman滤波的meanshift运动目标跟踪流程图；

图6是参考架上标志球三维测距的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本实用新型做进一步的详细说明。

如图1所示为本实用新型的系统结构连接图。

脊柱微创手术培训系统，包括实验平台、手术器械6和PC机，实验平台包括设置于底面的操作平台1，用于盛放系统其他设备，在操作平台1的面板中间位置设置脊柱物理模型夹持结构2，脊柱物理模型夹持结构2用于夹持脊柱物理模型3，该脊柱物理模型夹持结构2可以调节夹持力度的松紧。

在脊柱物理模型3的正上方放置双目摄像机4，双目摄像机4的摄像头垂直于操作平台1，且双目摄像机4通过双目摄像机支架5设置于操作平台1上，双目摄像机4通过电缆连接PC机，与PC机进行通信。手术器械6包括尖端和末端，在手术器械6的末端设置参考架7。

在操作平台1上设置手术器械托架，用于放置手术器械6。

脊柱物理模型3是模拟人类真实的脊柱通过3D打印而成。

双目摄像机4的分辨率至少为1280×960。

如图2所示为本实用新型的手术器械示意图。