[发明专利]一种虚拟骨科手术练习系统及模拟训练方法

权利要求书

1.一种虚拟骨骼手术练习系统，其特征在于：包括骨骼三维模型重建模块、显示模块、实际演练模块和评估模块，其中，骨骼三维模型重建模块用于重构骨骼模型；显示模块用于显示系统及操作界面，实际演练模块中采用虚拟现实交互设备实现虚拟操作，该虚拟现实交互设备包括头戴式显示设备、手柄控制交互设备；评估模块用于教学人员对手术整个演练过程进行评分。

2.根据权利要求1所述的一种虚拟骨骼手术练习系统，其特征在于：所述骨骼三维模型重建模块采用Dijkstra算法对人体骨干点云数据进行处理，求出每个点到根节点之间的最短路径距离，根据其他点到根结点的Dijkstra距离对每部分骨干进行分段，便于对模型进行任意的修改。

3.根据权利要求2所述的一种虚拟骨骼手术练习系统，其特征在于：构建骨骼模型时，骨架提取以Dijkstra距离分段为基础，然后采用线性规划的优化模型求出距离与角度的权值，根据加权后的匹配度进行骨架的连接，得到整个骨骼模型的完整骨架。

4.根据权利要求3所述的一种虚拟骨骼手术练习系统，其特征在于：骨干分段后得到的不同骨干部分记为C_i，对每一个C_i内的任意两个点云数据p_i和p_j，如果两点p_i和p_j之间的欧式距离小于0.015m，则认为这两点是连通的；否则，认为p_i和p_j两点之间的距离为无穷大；当C_i中由某种颜色表示的点构成的邻接矩阵中，任意两点之间都是有路径可以到达的，则将这种颜色中离该段根结点的Dijkstra距离最近的若干个点的中心与离该段根结点的Dijkstra距离最远的若干个点的中心相连，得到该段颜色部分的骨架。

5.根据权利要求4所述的一种虚拟骨骼手术练习系统，其特征在于：当C_i中由某种颜色表示的点构成的邻接矩阵中，不是任两点间均有路径可以到达时，先根据邻接矩阵把该颜色的点分成几个连通子图，每个连通子图的邻接矩阵都满足任两点间有路径可达；在每个连通子图中，将离根结点的Dijkstra距离最近的若干个点记为v1，v2，…，vn，该若干个点的中心记为且同时，将离根结点的Dijkstra距离最远的若干个点记为u1，u2，…，um，该若干个点的中心记为且计算求得j点到骨骼顶点P的距离连通这些点即得到每个分段内C_i的骨架。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的一种虚拟骨骼手术练习系统，其特征在于：人体骨干点云数据的获取过程如下：首先对人体骨骼进行CT/核磁扫描，获取用于三维模型重建的CT/MRI图像；然后对图像分割和边缘进行提取与处理，将软组织与骨骼组织进行分离，得到所需组织区域，再通过区域生长处理对已经确定的某一层面的组织区域采用区域生长功能扩展到其他剩余层；最后使用Calculate3D工具由mask计算所需组织的三维模型。

7.根据权利要求6所述的一种虚拟骨骼手术练习系统，其特征在于：对建好的三维模型进行光顺及重新网格划分等后期处理，用于提高模型质量，重构的三维模型输入快速成型机中快速形成原型件。

8.一种虚拟骨骼手术模拟训练方法，其特征在于：采用如权利要求1-7中任一项所述的手术练习系统进行骨骼手术模拟训练。

9.根据权利要求8所述的一种虚拟骨骼手术模拟训练方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在系统中导入需要进行的手术训练的骨骼模型，手术室选择需要固定骨折部位；

(2)在器械菜单中选择需要使用的手术器械，如手术刀，钢板等对骨折部位进行手术。

10.根据权利要求9所述的一种虚拟骨骼手术模拟训练方法，其特征在于：步骤(1)中，配制手术室环境的三维建模，采用SteamVR构建VR手术环境，用于构建逼真手术室环境；步骤(2)中，手术场景中采用多摄像头，受训人员通过鼠标滑轮控制主摄像头的拉进和缩退，便于更好地观察手术部位；手术场景中设置的第二摄像头为辅助功能，用于多方位的观察手术部位。