CN114424974B - 基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位方法与系统，该方法包括如下步骤：搭建呈未充气状态的腹腔三维模型，并将肝脏、肝脏管道、肿瘤以及腹壁显示在腹腔三维模型中；基于腹腔三维模型模拟人体气腹，得到人体气腹仿真模型；基于人体气腹仿真模型，确定内窥镜孔、主操作孔和副操作孔及其在气腹上的位置；卸掉腹压，使气腹返回未充气状态，得到相对应的内窥镜孔、主操作孔和副操作孔在未充气外腹壁上的位置。该定位系统用于实现该定位方法。本发明不仅提前分析了腹腔环境，还通过仿真充气的逆变换定位出操作孔在未充气外腹壁上的位置，提高了操作孔的定点水平，有效帮助医师在术前不充气情况下便可定出更易于手术操作的操作孔。
Description
技术领域
本发明涉及医疗仿真模型技术领域，特别涉及一种基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位方法与系统。
背景技术
传统肝脏腹腔镜手术是先将二氧化碳等医学气体通过内窥镜孔注入使腹腔充气变大，形成做腔镜手术的基本环境，再将腹腔镜伸入内窥镜孔，观察腹腔环境，接着通过术前CT扫描和外部试探寻找到手术位置，结合医生的手术经验，确定手术操作孔的位置，最后医生用手术刀将操作孔打通，这样医生可以通过内窥镜返回的腹腔画面，边观看腹腔环境，边做手术。
这种传统寻找操作孔位置的方法主要依靠医生的经验，缺乏数据支撑与实际的验证，对于经验不丰富的医生，甚至会出现定位失误等情况；而且由于目前技术受限，充气打孔一般在手术中进行，会造成手术时间的浪费，因此快速寻找操作孔是当下需要解决的难题。
发明内容
基于此，本发明提供了一种基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位方法与系统，先对充气腹腔进行三维重建，得到人体气腹仿真模型，基于人体气腹仿真模型，通过手术操作孔选取原则选取操作孔，并进行模拟仿真验算与运动干扰验算，确定内窥镜孔、主操作孔和副操作孔在气腹上的位置，再将气腹返回未充气状态，定位出相对应的内窥镜孔、主操作孔和副操作孔在未充气外腹壁上的位置，有效帮助医师在术前不充气情况下便可定出更易于手术操作的操作孔。
术语说明：
气腹，即充气腹腔，指在人工充入气体压强影响下，腹壁发生形变，形成的膨胀腹腔。
作业域，指按照手术切割线进行肿瘤切割手术的区域。
视野域，指内窥镜的可视范围。
本发明采用的技术方案是：
基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位方法，包括以下步骤：
步骤S1. 搭建呈未充气状态的腹腔三维模型，并将肝脏、肝脏管道、肿瘤以及腹壁显示在腹腔三维模型中；
步骤S2. 基于腹腔三维模型模拟人体气腹，得到人体气腹仿真模型；
步骤S3. 基于人体气腹仿真模型，确定内窥镜孔、主操作孔和副操作孔及其在气腹上的位置；
步骤S4. 卸掉腹压，使气腹返回未充气状态，得到相对应的内窥镜孔、主操作孔和副操作孔在未充气外腹壁上的位置。
在本申请公开的基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位方法中，所述步骤S1中，搭建呈未充气状态的腹腔三维模型的具体过程为：
获取腹腔CT数据或腹腔MRI数据，并进行处理，搭建呈未充气状态的腹腔三维模型。
在本申请公开的基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位方法中，所述步骤S2中，基于腹腔三维模型模拟人体气腹，得到人体气腹仿真模型的具体过程为：
基于腹腔三维模型，通过改变弹性模量或气压，模拟不同弹性模量或气压下的人体气腹，得到人体气腹仿真模型。
在本申请公开的基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位方法中，所述步骤S3中，确定内窥镜孔及其在气腹上的位置，具体过程为：
S31. 基于人体气腹仿真模型，根据内窥镜孔选取原则选取多个操作孔A；
S32. 模拟内窥镜在操作孔A中伸缩与旋转，调整内窥镜的视野域中心，并观察作业域；
S33. 计算作业域与视野域中心的重合率，选取重合率最大的操作孔A为内窥镜孔，该操作孔A的位置为内窥镜孔在气腹上的位置。
在本申请公开的基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位方法中，所述步骤S3中，确定主操作孔及其在气腹上的位置，具体过程为：
S34. 基于人体气腹仿真模型，根据主操作孔选取原则选取多个操作孔B；
S35. 模拟主手术刀在操作孔B中根据作业域切割肿瘤；
S36. 计算并选取距离肿瘤最近且肝脏切割体积最小的操作孔B为主操作孔，该操作孔B的位置为主操作孔在气腹上的位置。
在本申请公开的基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位方法中，所述步骤S3中，确定副操作孔及其在气腹上的位置，具体过程为：
S37. 基于人体气腹仿真模型，确定主操作孔的位置，并根据副操作孔选取原则选取多个操作孔C；
S38. 模拟主手术刀插入主操作孔，副手术刀插入操作孔C；
S39. 做主、副手术刀的运动范围分析，计算主、副手术刀的干涉程度，选取干涉程度最小的操作孔C为副操作孔，该操作孔C的位置为副操作孔在气腹上的位置。
基于同样的发明构思，本发明还公开了一种基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位系统，用于实现前述的定位方法，具体地，
基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位系统，包括：
三维气腹重建模块，用于构建呈未充气状态的腹腔三维模型和人体气腹仿真模型；
操作孔测算与验证模块，用于在人体气腹仿真模型上，确定内窥镜孔、主操作孔和副操作孔及其在气腹上的位置；
操作孔定位模块，用于将气腹返回未充气状态，得到相对应的内窥镜孔、主操作孔和副操作孔在未充气外腹壁上的位置。
在本申请公开的基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位系统中，所述三维气腹重建模块包括：
重建子模块，用于根据腹腔CT数据或腹腔MRI数据，重建呈未充气状态的腹腔三维模型，并将肝脏、肝脏管道、肿瘤以及腹壁显示在腹腔三维模型中；
构建子模块，用于改变弹性模量或气压，模拟不同弹性模量或气压下的人体气腹，得到人体气腹仿真模型。
在本申请公开的基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位系统中，所述操作孔测算与验证模块包括：
内窥镜孔子模块，用于根据内窥镜孔选取原则选取操作孔A，并模拟内窥镜在操作孔A中伸缩与旋转，调整内窥镜的视野域中心，并观察作业域，计算作业域与视野域中心的重合率，选取重合率最大的操作孔A为内窥镜孔，该操作孔A的位置为内窥镜孔在气腹上的位置；
主操作孔子模块，用于根据主操作孔选取原则选取操作孔B，并模拟主手术刀在操作孔B中根据作业域切割肿瘤，计算并选取距离肿瘤最近且肝脏切割体积最小的操作孔B为主操作孔，该操作孔B的位置为主操作孔在气腹上的位置；
副操作孔子模块，用于根据副操作孔选取原则选取操作孔C，并模拟副手术刀插入操作孔C，以及主手术刀插入确定的主操作孔，做主、副手术刀的运动范围分析，计算主、副手术刀的干涉程度，选取干涉程度最小的操作孔C为副操作孔，该操作孔C的位置为副操作孔在气腹上的位置。
在本申请公开的基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位系统中，所述定位系统还包括数据记录和处理模块，用于将肿瘤位置和各操作孔位置记录在数据库中。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过对充气腹腔进行三维重建，得到人体气腹仿真模型，再基于人体气腹仿真模型，根据手术操作孔选取原则计算、选取操作孔，并进行模拟仿真验算与运动干扰验算，确定内窥镜孔、主操作孔和副操作孔在气腹上的位置，再将气腹返回未充气状态，定位出相对应的内窥镜孔、主操作孔和副操作孔在未充气外腹壁上的位置。本发明不仅提前分析了腹腔环境，还通过仿真充气的逆变换定位出操作孔在未充气外腹壁上的位置，提高了操作孔的定点水平，有效帮助医师在术前不充气情况下便可定出更易于手术操作的操作孔。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位系统的结构示意图；
图2为充气前的人体气腹仿真模型；
图3为充气后的人体气腹仿真模型；
图4为内窥镜可视范围的结构示意图；
图5为内窥镜视野范围的结构示意图；
图6为切割线切线与视野域中线的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，对本申请的具体实施方式做详细的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本申请实施例提供了一种基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位方法，主要目的是通过构建人体气腹仿真模型，确定操作孔在气腹上的位置，再将气腹返回未充气状态，定位出操作孔在未充气外腹壁上的位置，有效帮助医师在术前不充气情况下便可定出更易于手术操作的操作孔。
本申请公开的基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位方法，包括以下步骤：
步骤S1. 搭建呈未充气状态的腹腔三维模型，并将肝脏、肝脏管道、肿瘤以及腹壁显示在腹腔三维模型中。在术前完成腹腔三维重建，并对肝脏、肝脏管道与肿瘤进行定位。
步骤S2. 基于腹腔三维模型模拟人体气腹，得到人体气腹仿真模型。腹腔充气前后如附图2和附图3所示。
步骤S3. 基于人体气腹仿真模型，确定内窥镜孔、主操作孔和副操作孔及其在气腹上的位置。通常手术操作孔秉承三角分布原则，即内窥镜孔与主操作孔、副操作孔尽可能地分布成平面等腰三角形，其它辅助孔围绕着该核心三角根据手术需要灵活布孔。因此，只需考虑内窥镜孔、主操作孔和副操作孔的选择即可。
步骤S4. 卸掉腹压，使气腹返回未充气状态，得到相对应的内窥镜孔、主操作孔和副操作孔在未充气外腹壁上的位置。通过在人体气腹仿真模型上选取、测算并确定操作孔，再卸掉腹压，使气腹返回未充气状态，得到操作孔在未充气外腹壁的位置，有效帮助医师在术前不充气情况下便可定出更易于手术操作的操作孔。
在一个实施例中，对于步骤S1，搭建呈未充气状态的腹腔三维模型的具体过程为：获取腹腔CT数据或腹腔MRI数据，并进行处理，搭建呈未充气状态的腹腔三维模型。
在一个实施例中，对于步骤S2，基于腹腔三维模型模拟人体气腹，得到人体气腹仿真模型的具体过程为：基于腹腔三维模型，通过改变弹性模量或气压，模拟不同弹性模量或气压下的人体气腹，得到人体气腹仿真模型。具体地，腹腔镜操作孔的确定过程中，由于腹腔膜的存在，使得在腹腔充气前后，肝脏的移动并不会变化太大，因此在三维气腹重建过程中，先设定腹壁各组织弹性模量的初始值，根据充入气体的气压，分析腹壁的受力情况，初步模拟腹腔的充气过程；然后调整腹壁各组织弹性模量值，得到人体气腹仿真模型。
在一个实施例中，对于步骤S3，确定内窥镜孔及其在气腹上的位置，具体过程为：
S31. 基于人体气腹仿真模型，根据内窥镜孔选取原则选取多个操作孔A；
S32. 模拟内窥镜在操作孔A中伸缩与旋转，调整内窥镜的视野域中心，并观察作业域；
S33. 计算作业域与视野域中心的重合率，选取重合率最大的操作孔A为内窥镜孔，该操作孔A的位置为内窥镜孔在气腹上的位置。
具体地，内窥镜孔的选取原则为：在外腹壁表面上肚脐偏向作业域的方向进行内窥镜孔的选取。肝脏腹腔镜手术一般采用30°镜，如附图4所示，可视范围是个圆锥体空间。通过内窥镜的旋转与伸缩，调整视野域，可呈现一个更大的视野范围，如附图5所示。而想要更好地进行肿瘤切割手术，则需要保证内窥镜投回的视频能看到作业域且作业域尽量处于视野域的中心，即在肿瘤切割过程中作业域切割线上任意一点的切线与内窥镜可视范围的中线尽量保持重合，如附图6所示。
在一个实施例中，对于步骤S3，确定主操作孔及其在气腹上的位置，具体过程为：
S34. 基于人体气腹仿真模型，根据主操作孔选取原则选取多个操作孔B；
S35. 模拟主手术刀在操作孔B中根据作业域切割肿瘤；
S36. 计算并选取距离肿瘤最近且肝脏切割体积最小的操作孔B为主操作孔，该操作孔B的位置为主操作孔在气腹上的位置。
具体地，主操作孔的选取原则为：应尽可能接近病变部位（病变在右肝者取剑突下，病变在左肝者取左锁骨中线肋缘下）。肝脏腹腔镜手术是在气腹内通过肚皮上一小孔用主手术刀通过加热的方式一点点切断包裹肿瘤的肝脏，所以切除下来的肝一般呈棱台型，且肚皮上不同的点，切割下来肝脏的体积与坡度都各不相同，因此可根据肝脏切割体积大小确定主操作孔。
在一个实施例中，确定副操作孔及其在气腹上的位置，具体过程为：
S37. 基于人体气腹仿真模型，确定主操作孔的位置，并根据副操作孔选取原则选取多个操作孔C；
S38. 模拟主手术刀插入主操作孔，副手术刀插入操作孔C；
S39. 做主、副手术刀的运动范围分析，计算主、副手术刀的干涉程度，选取干涉程度最小的操作孔C为副操作孔，该操作孔C的位置为副操作孔在气腹上的位置。
具体地，内窥镜孔、主操作孔的位置确定后，再进行副操作孔的确定。副操作孔的选取原则为：须与主操作孔及内窥镜孔保持一定距离，一般采用右锁骨中线肋缘下及右腋前线肋缘下附近。
传统寻找操作孔位置的方法是通过术前CT扫描和外部试探寻找到手术位置，该方法主要依靠医生的经验，缺乏数据支撑与实际的验证，对于经验不丰富的医生，甚至会出现定位失误等情况，而本申请在术前建立人体气腹仿真模型，再基于人体气腹仿真模型，根据手术操作孔选取原则计算、选取操作孔，并进行模拟仿真验算与运动干扰验算，确定内窥镜孔、主操作孔和副操作孔在气腹上的位置，再将气腹返回未充气状态，定位出相对应的内窥镜孔、主操作孔和副操作孔在未充气外腹壁上的位置。该方法不仅提前分析了腹腔环境，还通过仿真充气的逆变换定位出操作孔在未充气外腹壁的位置，有效帮助医师在术前不充气情况下便可定出更易于手术操作的操作孔。
上述给出的实施例较为详细地介绍了基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位方法，下述实施例将尝试简单介绍实现该定位方法的定位系统，即基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位系统。
请参见图1所示，该基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位系统，包括三维气腹重建模块、操作孔测算与验证模块和操作孔定位模块。
其中，三维气腹重建模块具有重建子模块和构建子模块。重建子模块根据腹腔CT数据或腹腔MRI数据，重建呈未充气状态的腹腔三维模型，并将肝脏、肝脏管道、肿瘤以及腹壁显示在腹腔三维模型中。构建子模块再基于腹腔三维模型，通过改变弹性模量或气压，模拟不同弹性模量或气压下的人体气腹，得到人体气腹仿真模型，如附图2和3所示。
其中，操作孔测算与验证模块具有内窥镜孔子模块、主操作孔子模块和副操作孔子模块。基于人体气腹仿真模型，操作孔测算与验证模块可以确定内窥镜孔、主操作孔和副操作孔及其在气腹上的位置。
具体地，内窥镜孔子模块根据内窥镜孔选取原则选取操作孔A，并模拟内窥镜在操作孔A中伸缩与旋转，调整内窥镜的视野域中心，并观察作业域，计算作业域与视野域中心的重合率，选取重合率最大的操作孔A为内窥镜孔，该操作孔A的位置为内窥镜孔在气腹上的位置。
具体地，主操作孔子模块根据主操作孔选取原则选取操作孔B，并模拟主手术刀在操作孔B中根据作业域切割肿瘤，计算并选取距离肿瘤最近且肝脏切割体积最小的操作孔B为主操作孔，该操作孔B的位置为主操作孔在气腹上的位置。
具体地，副操作孔子模块根据副操作孔选取原则选取操作孔C，并模拟副手术刀插入操作孔C，以及主手术刀插入确定的主操作孔，做主、副手术刀的运动范围分析，计算主、副手术刀的干涉程度，选取干涉程度最小的操作孔C为副操作孔，该操作孔C的位置为副操作孔在气腹上的位置。
其中，操作孔定位模块通过取消充入气体的气压值，卸掉腹压，让气腹返回未充气状态，得到相对应的内窥镜孔、主操作孔和副操作孔在未充气外腹壁上的位置。
在一个实施例中，定位系统还包括数据记录和处理模块，用于将肿瘤位置和操作孔位置记录在数据库中。将每位患者的肿瘤位置与操作孔的位置都记录在数据库内，一边可供实验教学，另一边前期由医生对操作孔进行选择，后期通过系统训练与自我学习对类似病变位置能快速定位操作孔，并推荐给医生，以此减少重复操作步骤，节省时间。
该定位系统通过三维气腹重建模块构建人体气腹仿真模型，由操作孔测算与验证模块在人体气腹仿真模型上，确定内窥镜孔、主操作孔和副操作孔及其在气腹上的位置，再通过操作孔定位模块卸掉腹压让气腹返回未充气状态，得到相对应的内窥镜孔、主操作孔和副操作孔在未充气外腹壁上的位置，最后通过数据记录和处理模块，将肿瘤位置和操作孔位置记录在数据库中，可供学习与训练。
该定位系统解决了传统上依靠医生寻找操作孔位置缺乏数据支撑与实际的验证，会出现定位失误，造成手术时间的浪费等问题，还解决了腹腔充气前定下的手术操作孔在充气后定位不准确以及基于该操作孔手术效果不佳的问题。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位系统，其特征在于，包括：
三维气腹重建模块，用于构建呈未充气状态的腹腔三维模型，并基于腹腔三维模型，通过改变弹性模量或气压，模拟不同弹性模量或气压下的人体气腹，得到人体气腹仿真模型；
操作孔测算与验证模块，用于在人体气腹仿真模型上，确定内窥镜孔、主操作孔和副操作孔及其在气腹上的位置；
其中，先在人体气腹仿真模型上，根据内窥镜孔选取原则选取多个操作孔A，并模拟内窥镜在操作孔A中作业，调整内窥镜的视野域中心，并观察作业域，计算作业域与视野域中心的重合率，选取重合率最大的操作孔A为内窥镜孔；
再在人体气腹仿真模型上，根据主操作孔选取原则选取多个操作孔B，并模拟主手术刀在操作孔B中根据作业域切割肿瘤，计算并选取距离肿瘤最近且肝脏切割体积最小的操作孔B为主操作孔；
接着在人体气腹仿真模型上，根据副操作孔选取原则选取多个操作孔C，并模拟副手术刀在操作孔C中作业，以及主手术刀在确定的主操作孔中作业，做主、副手术刀的运动范围分析，计算主、副手术刀的干涉程度，选取干涉程度最小的操作孔C为副操作孔；
操作孔定位模块，用于将气腹返回未充气状态，得到相对应的内窥镜孔、主操作孔和副操作孔在未充气外腹壁上的位置。
2.根据权利要求1所述的基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位系统，其特征在于，所述三维气腹重建模块包括：
重建子模块，用于根据腹腔CT数据或腹腔MRI数据，重建呈未充气状态的腹腔三维模型，并将肝脏、肝脏管道、肿瘤以及腹壁显示在腹腔三维模型中；
构建子模块，用于改变弹性模量或气压，模拟不同弹性模量或气压下的人体气腹，得到人体气腹仿真模型。
3.根据权利要求2所述的基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位系统，其特征在于，所述操作孔测算与验证模块包括：
内窥镜孔子模块，用于根据内窥镜孔选取原则选取操作孔A，并模拟内窥镜在操作孔A中伸缩与旋转，调整内窥镜的视野域中心，并观察作业域，计算作业域与视野域中心的重合率，选取重合率最大的操作孔A为内窥镜孔，该操作孔A的位置为内窥镜孔在气腹上的位置；
主操作孔子模块，用于根据主操作孔选取原则选取操作孔B，并模拟主手术刀在操作孔B中根据作业域切割肿瘤，计算并选取距离肿瘤最近且肝脏切割体积最小的操作孔B为主操作孔，该操作孔B的位置为主操作孔在气腹上的位置；
副操作孔子模块，用于根据副操作孔选取原则选取操作孔C，并模拟副手术刀插入操作孔C，以及主手术刀插入确定的主操作孔，做主、副手术刀的运动范围分析，计算主、副手术刀的干涉程度，选取干涉程度最小的操作孔C为副操作孔，该操作孔C的位置为副操作孔在气腹上的位置。
4.根据权利要求3所述的基于气腹仿真对腹腔镜操作孔的定位系统，其特征在于，所述定位系统还包括数据记录和处理模块，用于将肿瘤位置和各操作孔位置记录在数据库中。
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