基本信息
- 項目名稱：
- 虛擬超聲引導(dǎo)穿刺訓(xùn)練系統(tǒng)
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 在介入放射學(xué)領(lǐng)域中，超聲引導(dǎo)穿刺活體檢查手術(shù)是一種基本但是難以掌握的技術(shù)。該手術(shù)首先在超聲圖像引導(dǎo)下找到可疑的病變部位，再用穿刺針取得該部位的組織，以用作不同的化驗。這種手術(shù)要求醫(yī)生對穿刺針能純熟運用，加上對超聲圖像有很好的閱讀能力和人體解剖結(jié)構(gòu)的深入認識。醫(yī)生必需要通過大量的訓(xùn)練和長時間的練習(xí)，才能掌握獲取相應(yīng)的技術(shù)。目前，國內(nèi)外正缺乏有效及系統(tǒng)性的訓(xùn)練方法。實習(xí)醫(yī)生大多在主治醫(yī)生的指導(dǎo)下，通過臨床實習(xí)進行訓(xùn)練，接觸到病例受到限制，而且讓病人承擔(dān)很大的風(fēng)險?；谶@種現(xiàn)狀，我們提出一個于虛擬環(huán)境下的超聲引導(dǎo)穿刺訓(xùn)練系統(tǒng)來幫助醫(yī)生進行培訓(xùn)，并著重于模擬各種真實手術(shù)環(huán)境下的圖像及觸感仿真。大量的試驗結(jié)果顯示了本系統(tǒng)能有效地解決傳統(tǒng)訓(xùn)練方法所面對的難題，為發(fā)展手術(shù)模擬技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)，并對醫(yī)療培訓(xùn)工作踏出重要的一步。
- 詳細介紹：
- 整個系統(tǒng)包括兩臺計算機及兩臺力反饋裝置。兩臺計算機分別負責(zé)不同的運算工作，透過高速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，運算結(jié)果將被其中一臺終端機收集，并利用可視化技術(shù)將各種數(shù)據(jù)顯示于屏幕中。使用者透過兩臺力反饋裝置，控制虛擬環(huán)境中的超聲探頭及穿刺針，進行訓(xùn)練。圖2為系統(tǒng)實體，使用者同時操作兩臺力反饋裝置進行訓(xùn)練。圖3為本系統(tǒng)的架構(gòu)圖，當中包括多個模塊。計算器斷層掃描(Computed Tomography)數(shù)據(jù)模塊為系統(tǒng)提供各種物理運算的基礎(chǔ)，并與超聲數(shù)據(jù)模塊的超聲體數(shù)據(jù)進行融合。實時運作中，穿刺針模塊及超聲探頭模塊運算出力反饋，并把數(shù)據(jù)傳送到可視化模塊作圖像渲染。透過穿刺針模塊、超聲探頭模塊及可視化模塊三者間互相配合，使用者能在高度浸入環(huán)境下學(xué)習(xí)超聲引導(dǎo)穿刺手術(shù)的整個過程。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 在介入放射學(xué)領(lǐng)域中，超聲引導(dǎo)穿刺活體檢查手術(shù)是一種基本但是難以掌握的技術(shù)。該手術(shù)首先在超聲圖像引導(dǎo)下找到可疑的病變部位，再用穿刺針取得該部位的組織，以用作不同的化驗。這種手術(shù)要求醫(yī)生對穿刺針能純熟運用，加上對超聲圖像有很好的閱讀能力和人體解剖結(jié)構(gòu)的深入認識。醫(yī)生必需要通過大量的訓(xùn)練和長時間的練習(xí)，才能掌握獲取相應(yīng)的技術(shù)。目前，國內(nèi)外正缺乏有效及系統(tǒng)性的訓(xùn)練方法。實習(xí)醫(yī)生大多在主治醫(yī)生的指導(dǎo)下，通過臨床實習(xí)進行訓(xùn)練，接觸到病例受到限制，而且讓病人承擔(dān)很大的風(fēng)險?；谶@種現(xiàn)狀，我們提出一個于虛擬環(huán)境下的超聲引導(dǎo)穿刺訓(xùn)練系統(tǒng)來幫助醫(yī)生進行培訓(xùn)，并著重于模擬各種真實手術(shù)環(huán)境下的圖像及觸感仿真。大量的試驗結(jié)果顯示了本系統(tǒng)能有效地解決傳統(tǒng)訓(xùn)練方法所面對的難題，為發(fā)展手術(shù)模擬技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)，并對醫(yī)療培訓(xùn)工作踏出重要的一步。
科學(xué)性、先進性
- 我們所開發(fā)的系統(tǒng)，包含三種主要研究突破：三維超聲體數(shù)據(jù)重建，六自由度的穿刺針力反饋模型及實時圖像渲染。 穩(wěn)定、自動、快速的三維超聲體數(shù)據(jù)重建 特征提取 在體數(shù)據(jù)的特征提取過程中，我們采用混合特征檢測算法，包括三維SIFT (Scale Invariant Feature Transform)特征檢測及Rohr特征檢測，能對體數(shù)據(jù)的各種特征進行提取。三維SIFT特征檢測方法能有效提取球狀特征(圖9(a))，而Rohr特征檢測方法能有效提取角特征(圖9(b))。同時提取多種特征，能保證我們的算法不會偏重于體數(shù)據(jù)的單種特性，使得整個特征提取算法能全面的獲得特征訊息。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 會議論文及期刊 Dong Ni, Wing-Yin Chan, Jing Qin, Yim-Pan Chui, Yingge Qu, Simon S. M. Ho, and Pheng-Ann Heng, A virtual reality simulator for ultrasound guided organ biopsy training, IEEE Computer Graphics and Applications Dong Ni, Yim-Pan Chui, Yingge Qu, Xuan Yang, Jing Qin, Tien-TsinWong, S.S.H. Ho, and Pheng-Ann Heng, Reconstruction of volumetric ultrasound panorama based on improved 3D SIFT, Elsevier, Computerized Medical Imaging and Graphics Wing-Yin Chan, Dong Ni, Wai-Man Pang, Jing Qin, Yim-Pan Chui, Simon Chun-Ho Yu, and Pheng-Ann Heng. Make It Fun: an Edutainment Game for Ultrasound-Guided Needle Insertion Training. International Simulation And Gaming Association 40th Annual Conference Dong Ni, Wing-Yin Chan, Jing Qin, Yim-Pan Chui, Yingge Qu, Simon S.M. Ho, and Pheng-Ann Heng. An Ultrasound-Guided Organ Biopsy Simulation with 6DOF Haptic Feedback. MICCAI, 2008, pp.: 551-559, New York, USA 2009年度香港中文大學(xué)校長杯冠軍(見附件一)
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 本系統(tǒng)非常適合醫(yī)院的教學(xué)和培訓(xùn)工作，邀請企業(yè)參與市場及銷售工作將技術(shù)權(quán)限出售與相關(guān)企業(yè)
作品可展示的形式
- 錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 超聲引導(dǎo)穿刺活檢已經(jīng)被應(yīng)用于包括肝、腎、胰、脾、前列腺、肺、縱隔、胸膜，甚至涎腺、肝門脈及頭頸部、胸腹部、盆部多臟器組織的活體檢查。尤其是在肝部，已成為協(xié)助診療的重要手段。目前在介入影像學(xué)中被認為是最具潛力和最理想的導(dǎo)引方法。由于該項手術(shù)的復(fù)雜性，目前尚缺有效、安全的教學(xué)和培訓(xùn)方法。我們所開發(fā)的系統(tǒng)與同類產(chǎn)品相比，高度仿真手術(shù)全過程，包括真實的超聲圖像、呼吸運動的仿真和真實的觸覺反應(yīng)，可以在不對病人產(chǎn)生任何危險的前提下，有效的用于超聲引導(dǎo)穿刺手術(shù)的教學(xué)，訓(xùn)練和操作評估，非常適合醫(yī)院的教學(xué)和培訓(xùn)。
同類課題研究水平概述
- 近年來，各國均投入大量資源及人手研發(fā)醫(yī)療培訓(xùn)系統(tǒng)。其中利用計算器協(xié)助，建構(gòu)于虛擬環(huán)境下的訓(xùn)練系統(tǒng)占大多數(shù)。早于1998年由Cohen-Or開發(fā)出一套超聲圖像仿真系統(tǒng)，用作醫(yī)學(xué)超聲掃瞄的教學(xué)，如圖十四所示[1]。 2005年, Vidal [2] 提出專為超聲引導(dǎo)穿刺手術(shù)所開發(fā)的訓(xùn)練系統(tǒng)，并首次提出包含力反饋元素。該系統(tǒng)支持皮膚組織的穿刺，但只能提供三自由度力反饋及仿真CT圖像，并未能完全仿真手術(shù)過程，如圖十五所示[2]。 2007年英國利茲大學(xué)的Magee [3] 推出一個綜合各種技術(shù)的仿真系統(tǒng)，并使用兩組三自由度力反饋裝置。其設(shè)計已展示出醫(yī)學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的雛型，不過由于該系統(tǒng)的超聲圖像是由超聲碎片拼湊而成，其真實性難以保證。 [1] D. Aiger, D. Cohen-Or, “Real-Time Ultrasound Imaging Simulation”, Real-Time Imaging, Volume 4, Issue 4, August 1998, Pages 263-274. [2] F.P. Vidal, N. Chalmers, D.A. Gould, A.E. Healey, N.W. John, “Developing a needle guidance virtual environment with patient-specific data and force feedback”, International Congress Series, Volume 1281, CARS 2005: Computer Assisted Radiology and Surgery, May 2005, Pages 418-423 [3] D. Magee, Y. Zhu, R. Ratnalingam, P. Gardner, and D. Kessel, “An augmented reality simulator for ultrasound guided needle placement training,” J. of Med. Bio. Eng. and Comput., vol. 45, no. 10, pp. 957–967, 2007.
