基本信息
- 项目名称：
- 虚拟超声引导穿刺训练系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 在介入放射学领域中，超声引导穿刺活体检查手术是一种基本但是难以掌握的技术。该手术首先在超声图像引导下找到可疑的病变部位，再用穿刺针取得该部位的组织，以用作不同的化验。这种手术要求医生对穿刺针能纯熟运用，加上对超声图像有很好的阅读能力和人体解剖结构的深入认识。医生必需要通过大量的训练和长时间的练习，才能掌握获取相应的技术。目前，国内外正缺乏有效及系统性的训练方法。实习医生大多在主治医生的指导下，通过临床实习进行训练，接触到病例受到限制，而且让病人承担很大的风险。基于这种现状，我们提出一个于虚拟环境下的超声引导穿刺训练系统来帮助医生进行培训，并着重于模拟各种真实手术环境下的图像及触感仿真。大量的试验结果显示了本系统能有效地解决传统训练方法所面对的难题，为发展手术模拟技术奠定了良好的基础，并对医疗培训工作踏出重要的一步。
- 详细介绍：
- 整个系统包括两台计算机及两台力反馈装置。两台计算机分别负责不同的运算工作，透过高速网络协议，运算结果将被其中一台终端机收集，并利用可视化技术将各种数据显示于屏幕中。使用者透过两台力反馈装置，控制虚拟环境中的超声探头及穿刺针，进行训练。图2为系统实体，使用者同时操作两台力反馈装置进行训练。图3为本系统的架构图，当中包括多个模块。计算器断层扫描(Computed Tomography)数据模块为系统提供各种物理运算的基础，并与超声数据模块的超声体数据进行融合。实时运作中，穿刺针模块及超声探头模块运算出力反馈，并把数据传送到可视化模块作图像渲染。透过穿刺针模块、超声探头模块及可视化模块三者间互相配合，使用者能在高度浸入环境下学习超声引导穿刺手术的整个过程。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 在介入放射学领域中，超声引导穿刺活体检查手术是一种基本但是难以掌握的技术。该手术首先在超声图像引导下找到可疑的病变部位，再用穿刺针取得该部位的组织，以用作不同的化验。这种手术要求医生对穿刺针能纯熟运用，加上对超声图像有很好的阅读能力和人体解剖结构的深入认识。医生必需要通过大量的训练和长时间的练习，才能掌握获取相应的技术。目前，国内外正缺乏有效及系统性的训练方法。实习医生大多在主治医生的指导下，通过临床实习进行训练，接触到病例受到限制，而且让病人承担很大的风险。基于这种现状，我们提出一个于虚拟环境下的超声引导穿刺训练系统来帮助医生进行培训，并着重于模拟各种真实手术环境下的图像及触感仿真。大量的试验结果显示了本系统能有效地解决传统训练方法所面对的难题，为发展手术模拟技术奠定了良好的基础，并对医疗培训工作踏出重要的一步。
科学性、先进性
- 我们所开发的系统，包含三种主要研究突破：三维超声体数据重建，六自由度的穿刺针力反馈模型及实时图像渲染。 稳定、自动、快速的三维超声体数据重建 特征提取 在体数据的特征提取过程中，我们采用混合特征检测算法，包括三维SIFT (Scale Invariant Feature Transform)特征检测及Rohr特征检测，能对体数据的各种特征进行提取。三维SIFT特征检测方法能有效提取球状特征(图9(a))，而Rohr特征检测方法能有效提取角特征(图9(b))。同时提取多种特征，能保证我们的算法不会偏重于体数据的单种特性，使得整个特征提取算法能全面的获得特征讯息。
获奖情况及鉴定结果
- 会议论文及期刊 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年度香港中文大学校长杯冠军(见附件一)
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 本系统非常适合医院的教学和培训工作，邀请企业参与市场及销售工作将技术权限出售与相关企业
作品可展示的形式
- 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 超声引导穿刺活检已经被应用于包括肝、肾、胰、脾、前列腺、肺、纵隔、胸膜，甚至涎腺、肝门脉及头颈部、胸腹部、盆部多脏器组织的活体检查。尤其是在肝部，已成为协助诊疗的重要手段。目前在介入影像学中被认为是最具潜力和最理想的导引方法。由于该项手术的复杂性，目前尚缺有效、安全的教学和培训方法。我们所开发的系统与同类产品相比，高度仿真手术全过程，包括真实的超声图像、呼吸运动的仿真和真实的触觉反应，可以在不对病人产生任何危险的前提下，有效的用于超声引导穿刺手术的教学，训练和操作评估，非常适合医院的教学和培训。
同类课题研究水平概述
- 近年来，各国均投入大量资源及人手研发医疗培训系统。其中利用计算器协助，建构于虚拟环境下的训练系统占大多数。早于1998年由Cohen-Or开发出一套超声图像仿真系统，用作医学超声扫瞄的教学，如图十四所示[1]。 2005年, Vidal [2] 提出专为超声引导穿刺手术所开发的训练系统，并首次提出包含力反馈元素。该系统支持皮肤组织的穿刺，但只能提供三自由度力反馈及仿真CT图像，并未能完全仿真手术过程，如图十五所示[2]。 2007年英国利兹大学的Magee [3] 推出一个综合各种技术的仿真系统，并使用两组三自由度力反馈装置。其设计已展示出医学训练系统的雏型，不过由于该系统的超声图像是由超声碎片拼凑而成，其真实性难以保证。 [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.
