一种基于仿真组织交互数据的外科缝合评估方法及系统

本发明涉及医疗仿真评估，尤其涉及一种基于仿真组织交互数据的外科缝合评估方法及系统。

背景技术：

1、外科缝合技能是外科医生的核心基本功，其质量直接影响手术效果。传统评估依赖专家主观评分，存在标准难统一、结果难量化复现等局限，建立客观量化的评估方法已成为迫切需求。近年来，仿真训练平台与自动化评估技术为缝合技能的客观评估提供了新的可能。已有研究在仿真平台上采集力觉、运动及视频等多模态数据，并提取基础统计量作为评估指标；也有方案通过图像解析或关键点坐标划分缝合动作片段并生成评价结果。

2、然而，上述现有技术仍存在以下不足：评估维度单一，现有方法仅关注视觉或位置信息，无法量化针尖穿刺瞬间的阻力变化、缝线在组织内的摩擦能耗及组织形变下的应力响应，且已有的力学研究仅停留在离线实验层面；力觉、运动与视觉等多源数据的采样频率和时空基准各不相同，现有技术缺乏有效的时空融合机制，难以还原操作者在每个时刻的真实操作状态；现有自动化评估方法多为黑箱模型，只能输出分数而无法解释扣分原因，受训者难以获得具体的改进指导；现有评估指标多为运动学统计量，与组织损伤程度、缝线张力均匀性及穿刺顺滑度等缝合质量的核心物理要素之间缺乏直接的物理对应关系。

技术实现思路

1、为了弥补以上不足，本发明提供了一种基于仿真组织交互数据的外科缝合评估方法，旨在解决现有技术中评估维度单一、多源数据孤立及评估结果不可解释的技术问题。

2、第一方面，本发明提供了如下技术方案，一种基于仿真组织交互数据的外科缝合评估方法，包括：

3、获取缝合器械与仿真组织交互过程中产生的多模态交互数据及所述仿真组织的材料特性参数，所述多模态交互数据至少包括力觉数据、运动学数据及视觉形变数据；

4、对所述多模态交互数据进行时序同步，并通过空间配准将所述力觉数据、运动学数据与视觉形变数据映射至统一的时空基准，获得力学向量、空间运动轨迹及空间位移场；

5、基于时空同步后的所述力觉数据检测力信号的突变特征，并结合所述空间运动轨迹和空间位移场，识别缝合操作在时序上至少包括穿刺阶段在内的多个连续操作阶段；

6、基于所述操作阶段，结合所述空间位移场与力学向量，并参考所述材料特性参数中的屈服应力值，提取穿刺阶段机械功与位移的相对量以及缝线对组织的应力与组织屈服应力的相对量，作为物理特征参量；

7、基于所述物理特征参量与预设缺陷模型的映射关系生成评估结果，并根据所述物理特征参量偏离标准分布的物理含义，生成对应的缺陷反馈信息。

8、进一步地，所述基于时空同步后的所述力觉数据检测力信号的突变特征的步骤包括：

9、检测所述力学向量在滑动窗口内的变化率峰值时刻，并结合所述视觉形变数据提取的组织表面法向量与所述峰值时刻力矢量的突变指向，确定器械尖端突破组织表层的力学突变状态。

10、进一步地，所述识别缝合操作在时序上至少包括穿刺阶段在内的多个连续操作阶段的步骤包括：

11、提取所述空间运动轨迹的周期性特征与所述力学向量的能量包络；

12、根据运动轨迹的位移方向转换点及力信号峰值分布，将缝合全过程分割为入针穿刺、组织穿越、出针拔除及打结收紧阶段；

13、通过逻辑门限判定各阶段的时序逻辑关系，输出带有时序标签的阶段序列。

14、进一步地，所述机械功与位移的相对量具体包括：

15、计算穿刺阶段所述力学向量沿空间运动轨迹的线积分，获得穿刺总机械功，并提取穿刺阶段的有效位移矢量长度；

16、计算所述穿刺总机械功与所述有效位移矢量长度的比值，作为单位穿刺路径下的能量耗散效率指标。

17、进一步地，所述缝线对组织的应力与组织屈服应力的相对量具体包括：

18、基于所述空间位移场提取缝线作用区域的局部形变梯度，并结合力学向量映射计算缝线接触区域的法向压强分布；

19、计算所述法向压强峰值与屈服应力值的标定比例，作为组织损伤风险的应力状态指标。

20、进一步地，所述标准分布的标定方式具体包括：获取多名专家在标准化缝合任务中的各物理特征参量数据，构建专家参考数据库，经统计分析后确定各物理特征参量的标准分布区间。

21、进一步地，所述物理特征参量偏离标准分布的物理含义具体包括：

22、若功－位移特征向高功耗区间偏离，判定物理含义为穿刺阻力异常或入针角度偏离；

23、若应力相对量超过预设的安全边界，判定物理含义为组织发生不可逆物理损伤或局部撕裂风险；

24、若空间位移场分布不均，判定物理含义为缝合张力传递失稳。

25、进一步地，所述基于所述物理特征参量与预设缺陷模型的映射关系生成评估结果的步骤包括：

26、将提取的物理特征参量投影至多维特征空间，并计算当前特征参量点与缺陷模型中预设的异常聚类中心的距离；

27、根据距离测度判定所述缝合操作是否存在轨迹偏移、组织撕裂、张力控制不均或缝合路径不连续的缺陷类别。

28、进一步地，所述生成对应的缺陷反馈信息具体包括：

29、根据所述缺陷类别及距离，从干预知识库中匹配纠偏建议，并结合操作阶段的时序位置，生成包含力觉调整引导、运动轨迹修正路径及组织保护预警的多模态反馈指令。

30、第二方面，本发明提供以下技术方案，一种基于仿真组织交互数据的外科缝合评估系统，用于实现上述的外科缝合评估方法，所述系统包括：

31、数据获取模块，用于获取缝合器械与仿真组织交互过程中产生的多模态交互数据及所述仿真组织的材料特性参数，所述多模态交互数据至少包括力觉数据、运动学数据及视觉形变数据；

32、数据同步与配准模块，用于对所述多模态交互数据进行时序同步，并通过空间配准将所述力觉数据、运动学数据与视觉形变数据映射至统一的时空基准，获得力学向量、空间运动轨迹及空间位移场；

33、阶段识别模块，用于基于时空同步后的所述力觉数据检测力信号的突变特征，并结合所述空间运动轨迹和空间位移场，识别缝合操作在时序上至少包括穿刺阶段在内的多个连续操作阶段；

34、物理特征参量提取模块，用于基于所述操作阶段，结合所述空间位移场与力学向量，并参考所述材料特性参数中的屈服应力值，提取穿刺阶段机械功与位移的相对量以及缝线对组织的应力与组织屈服应力的相对量，作为物理特征参量；

35、评估与反馈模块，用于基于所述物理特征参量与预设缺陷模型的映射关系生成评估结果，并根据所述物理特征参量偏离标准分布的物理含义，生成对应的缺陷反馈信息。

36、本发明具有如下有益效果：

37、1.本发明中，通过对力觉数据、运动学数据与视觉形变数据进行时序同步与空间配准，将多源异构数据映射至统一的时空基准，消除数据孤立问题；基于力信号突变特征检测穿刺瞬间，融合空间运动轨迹与空间位移场，识别多个连续操作阶段，为物理特征参量的提取提供精确的时序边界。

38、2.本发明中，通过以力学向量沿空间运动轨迹的线积分计算机械功，结合有效位移矢量长度提取能量耗散效率指标；通过空间位移场提取缝线作用区域的形变分布，结合力学向量计算法向压强，以法向压强峰值与材料屈服应力的比值表征组织损伤风险，克服传统运动学统计量与物理本质脱节的缺陷。

39、3.本发明中，通过采集专家数据标定物理特征参量的标准分布区间，为操作偏离程度提供量化判定基准，并根据偏离方向及程度判定对应的物理含义；通过多维特征空间投影与距离测度识别缺陷类别，结合操作阶段的时序位置，生成包含力觉调整引导、运动轨迹修正及组织保护预警的多模态反馈指令。