[发明专利]基于混合现实技术的假体置换手术模拟系统及构建方法

摘要

本发明涉及医疗信息化技术领域，具体说，涉及一种基于混合现实技术的脊柱假体置换手术模拟系统及构建方法，步骤为（1），建立假体数据云存储库，录入和存储各种参数的脊柱假体模型的图像和数据信息；步骤（2），扫描人体脊柱影像图像，包括CT扫描影像或核磁扫描影像；步骤（3），人体脊柱影像导入及三维图像建模；步骤(4),在MR智能设备上实现对人体脊柱影像三维数字化模型的控制；步骤（5），计算假体参数；步骤（6），调取脊柱假体3D模型；步骤（7），假体置换效果评估；步骤（8），人体脊柱三维数字化模型与患者自动匹配。本发明可以提高假体置换手术的精准度和速度，缩减手术时间，减轻手术痛苦。

主权项

1.基于混合现实技术的假体置换手术模拟系统的构建方法：其特征在于：步骤（1），建立假体数据云存储库，录入和存储各种参数的脊柱假体模型的图像和数据信息：第一步，脊柱假体3D建模：使用三维激光扫描仪对其进行高速激光扫描和测量，获取假体表面完整、连续的全景点三维坐标数据，使用逆向工程软件对扫描得到的点进行后处理，得到假体三维模型，获取假体参数；第二步，搭建云端服务器，并建立假体3D模型图像及参数云存储数据库，将第一步得到的脊柱假体模型的图像和数据进行收录，整理，并按照所在脊柱部位对假体进行分类和编号；步骤（2），扫描人体脊柱（脊柱学名或范围）影像图像，包括CT扫描影像或核磁扫描影像；扫描体位：颈椎，胸椎，腰椎，骶骨、尾骨；步骤（3），人体脊柱影像导入及三维图像建模；将步骤（2）所采集的二维的人体脊柱影像导入计算机工作站，并通过医学图像处理软件对图像进行初步处理，生成STL格式文件，再将生成的STL格式文件用三维制图软件打开，并按照手术要求修改三维模型，并导出FBX格式文件，通过3D引擎转化，制作三维数字化模型资源包，上传至云端服务器，形成人体脊柱三维数字化模型库；步骤(4), 在MR智能设备上实现对人体脊柱影像三维数字化模型的控制；从云端服务器下载步骤（3）生成的人体脊柱三维数字化模型到具有显示面板和控制面板功能的MR智能设备上，在显示面板上可以打开并显示人体脊柱三维数字化模型，在控制面板上可以对三维数字化模型进行选取、删除、添加、等比例缩放、移动、旋转、颜色调节、部位标记、透明度增减功能的操作；步骤（5），计算假体参数：在MR智能设备的数据处理模块中输入能够测量并计算需要置换的部位的参数的算法，并在MR智能设备显示的人体脊柱三维数字化模型上，手动选择需要手术置换的部位，MR智能设备的数据处理模块会自动按照输入的算法测量并计算出需要置换的假体的参数；能够测量并计算需要置换的部位的参数的计算方法：采用逆向工程算法，针对病灶处（需要假体置换的部位）人体脊椎3D模型进行尺寸评估，获取病灶处模型结构的位置的三维坐标和转向的角度坐标，对模型进行垂直定向归正，以平面对模型进行由上至下的扫描，分别确定病灶处模型的顶面和底面的定点三维坐标，然后分别确定病灶处模型顶面到底面的最长距离和最短距离，在最短距离和最长距离的区间范围内查找符合参数要求的假体模型；步骤（6），调取脊柱假体3D模型；在MR智能设备上从步骤（1）建立的假体数据云存储库中选择并调取与步骤（5）选择的假体安装部位和计算的假体参数相匹配的假体3D模型n个，将调取的n个假体3D模型导入到步骤（4）中显示人体脊柱三维数字化模型的显示面板上,同样地，在控制面板上可以对假体3D模型进行选取、删除、添加、等比例缩放、移动、旋转、颜色调节、部位标记、位移、透明度增减功能的操作；步骤（7），假体置换效果评估；手动将显示面板上的假体3D模型与人体脊柱三维数字化模型需要置换的部位进行匹配，MR智能设备的数据处理模块上设定有能自动计算出假体模型与人体脊柱三维数字化模型上需要置换部位匹配度的算法，并分析假体3D模型被植入人体脊柱三维数字化模型后，脊柱产生的形变，和多个假体3D模型植入效果的显示对比，根据算法，自动计算出假体模型与人体脊柱三维数字化模型上需要置换部位的匹配度，并在显示面板上显示出由于假体的植入，人体脊柱会产生的形变和仿真效果，并通过对多个假体3D模型的植入效果进行对比分析，自动筛选出最佳匹配方案，从而在应用混合现实技术下，实现高精度还原的脊柱假体置换手术模拟操作；能自动计算出假体模型与人体脊柱三维数字化模型上需要置换部位匹配度的算法：将各假体分别放置在病灶处，使用扫描层扫描脊柱与假体之间的距离t1，t2，b1，b2；t1：假体左侧针对脊柱上部的距离；t2：假体右侧针对脊柱上部的距离；b1：假体左侧针对脊柱下部的距离；b2：假体右侧针对脊柱下部的距离；确定脊柱在t1，t2，b1，b2不同值下脊柱整体高度h的变化范围，根据健康状态下的脊柱高度作为参考，筛选出值最接近健康状态的脊柱高度的选项为最优替换方案；步骤（8），人体脊柱三维数字化模型与患者自动匹配；应用混合现实（MR）导航技术，在患者身上放置内含患者信息所生成的二维码，形成定位标识，MR智能设备扫描患者身上的二维码定位标识，使MR智能设备上呈现的人体脊柱二维数字化模型与患者病灶处快速匹配，便于定位操作。