一種虛擬微創(chuàng)手術訓練系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種虛擬微創(chuàng)手術訓練系統(tǒng)，它主要由操作機構，控制系統(tǒng)和軟件平臺三大模塊構成。其中操作機構包括機構設計，三維建模；控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集硬件設計，數(shù)據(jù)采集接口設計；軟件平臺包括幾何建模，物理建模，碰撞檢測，組織仿真變形，系統(tǒng)模塊設計。而系統(tǒng)設計中又包含了人機交互界面模塊，材質光照渲染模塊，紋理模塊，聲音模塊，集合變換模塊和系統(tǒng)控制。與傳統(tǒng)訓練系統(tǒng)相比加入了碰撞檢測，能更加真實的模擬真實環(huán)境，幫助醫(yī)學醫(yī)護人員快速掌握微創(chuàng)手術的流程及方法。
【專利說明】一種虛擬微創(chuàng)手術訓練系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種醫(yī)學教學領域，尤其涉及一種虛擬微創(chuàng)手術訓練系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 當前，虛擬現(xiàn)實技術已成為計算機相關領域中繼多媒體技術、Internet網(wǎng)絡技術 之后關注及研究、開發(fā)與應用的熱點，也是目前發(fā)展最快的一項多學科綜合技術。在21世 紀，人類將進入虛擬現(xiàn)實的科技新時代，虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展和普及，必將在社會各領域得 到充分的發(fā)展，為人們的工作、生活帶來深遠的影響?，F(xiàn)在，許多領域都以計算機為基礎進 行學習和訓練，它能夠幫助人們增長知識和提高技能。醫(yī)學領域也不例外，甚至表現(xiàn)更明 顯，因為醫(yī)學訓練是一個時間漫長且花費昂貴的過程；然而隨著虛擬現(xiàn)實技術和計算機網(wǎng) 絡以及多媒體技術的飛速發(fā)展，利用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)的醫(yī)學模擬訓練系統(tǒng)，可以使訓練 者隨時進行練習，并且是在一個非常真實和安全的環(huán)境下，完成整個手術訓練過程；目前它 的醫(yī)學領域的應用潛力極為廣闊。因此，對于虛擬微創(chuàng)手術訓練機的市場需求愈加迫切，而 虛擬現(xiàn)實技術的出現(xiàn)使得對它的研制與開發(fā)已經(jīng)成為一種必然。


【發(fā)明內容】

[0003] 為了解決醫(yī)護人員不能達到真正熟練的掌握微創(chuàng)手術的問題，本發(fā)明提供一種虛 擬微創(chuàng)手術訓練系統(tǒng)，加強醫(yī)護人員技能，更加具有真實性。
[0004] 本發(fā)明是這樣構成的：一種虛擬微創(chuàng)手術訓練系統(tǒng)主要由操作機構、控制系統(tǒng) 和軟件平臺三大模塊構成；其中所述的操作機構包括機構設計、三維建模，運用AutoCAD、 SolidWorks進行機構設計和實現(xiàn)操作機構建模；所述的控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集硬件設計、 數(shù)據(jù)采集接口設計，向虛擬微創(chuàng)手術仿真系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)，通過該系統(tǒng)實時采集手術 器械的空間位置數(shù)據(jù)，確定模型在虛擬空間中的游走軌跡和位置；所述的軟件平臺包括幾 何建模、物理建模、碰撞檢測、組織仿真變形及系統(tǒng)模塊設計，實現(xiàn)系統(tǒng)模塊設計和模型游 走訓練，其中系統(tǒng)模塊設計中包含了人機交互界面模塊，材質光照渲染模塊，紋理模塊，聲 音模塊，集合變換模塊和系統(tǒng)控制。
[0005] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有以下優(yōu)點：更加人性化的設計系統(tǒng)軟件部分，提供碰撞 檢測，提供更加真實的訓練環(huán)境，幫助醫(yī)學醫(yī)護人員快速掌握微創(chuàng)手術的流程及方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 圖1為虛擬微創(chuàng)手術訓練系統(tǒng)結構示意圖。

【具體實施方式】
[0007] 下面結合附圖，對本發(fā)明做進一步詳述。
[0008] 如圖1所示，本發(fā)明一種虛擬微創(chuàng)手術訓練系統(tǒng)主要由操作機構、控制系統(tǒng)和軟 件平臺三大模塊構成。其中操作機構包括機構設計，三維建模；控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集硬件 設計，數(shù)據(jù)采集接口設計；軟件平臺包括幾何建模，物理建模，碰撞檢測，組織仿真變形，系 統(tǒng)模塊設計。而系統(tǒng)設計中又包含了人機交互界面模塊，材質光照渲染模塊，紋理模塊，聲 音模塊，集合變換模塊和系統(tǒng)控制。
[0009] 操作機構為醫(yī)師手術訓練提供操作平臺。明確微創(chuàng)手術訓練系統(tǒng)操作機構的設計 步驟，包括結構方案的分析與制定以及傳感器選型。運用AutoCAD、SolidWorks進行機構 設計和實現(xiàn)操作機構建模。在設計過程中采用多元化的設計思想，思路要清晰、功能明確。 操作機構是虛擬微創(chuàng)手術訓練系統(tǒng)的執(zhí)行機構，是訓練醫(yī)師直接操縱的硬件平臺。
[0010] 控制系統(tǒng)是連接操作機構與軟件平臺的一個橋梁，為向虛擬微創(chuàng)手術仿真系統(tǒng)提 供有效的數(shù)據(jù)，通過該系統(tǒng)實時采集手術器械的空間位置數(shù)據(jù)，可以確定模型在虛擬空間 中的游走軌跡和位置。本部分的設計包括選擇數(shù)據(jù)采集設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集硬件設計；編制 數(shù)據(jù)采集接口程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。
[0011] 軟件部分實現(xiàn)系統(tǒng)模塊設計和模型游走訓練，它主要是模型在虛擬空間中的游 走。其中包含以下幾個模塊： 1. 幾何建模 模塊建立可以采用3DS MAX軟件和SolidWorks軟件制作，人體器官和手術器械幾 何模型可分別保存為ASE文件格式和STL文件格式，因為這些格式都是以三角形網(wǎng)格形 式存儲模型數(shù)據(jù)的，便于在虛擬場景中使用OpenGL重建，然后通過設計和編寫接口程序， 使系統(tǒng)實現(xiàn)從ASE和STL格式文件中讀取模型的三維圖形數(shù)據(jù)的功能； 2. 物理模塊 手術器械是剛體，即使與人體器官發(fā)生碰撞一般也不會發(fā)生變形，故虛擬手術器械在 虛擬場景中除了發(fā)生整體位置(平移、旋轉）變化外，器械本身受力后不會發(fā)生形變，因此手 術器械用SolidWorks建模后導入場景可直接使用。人體器官則不一樣，人體器官發(fā)生碰 撞受力后會產生變形，導入場景后需要建立其物理模型，由于人體器官是軟組織，其形變十 分復雜，要構造逼真人體器官物理模型難度很大，逼真度越高，需要的計算、內存就越多，會 影響整個系統(tǒng)的響應速度。因此要建立高逼真度、快速響應的物理模型； 3. 碰撞檢測 碰撞檢測也稱為干涉檢測或者接觸檢測，是虛擬環(huán)境中一個重要組成部分，也是仿真 物體之間交互行為的基礎問題。虛擬環(huán)境中的碰撞檢測具體工作包括兩個部分：檢測是否 有碰撞發(fā)生，計算出碰撞發(fā)生的位置。2D物體的碰撞檢測相對要容易，無論是采用像素判 斷還是使用物體面積與距離判斷都是可行的；但是3D場景中就有很大的麻煩，對于PC機 的運算能力，如果要檢測每個物體的多邊形和頂點的穿透，運算量將相當可觀。目前對于 3D碰撞檢測問題，還沒有幾乎完美的解決方案，只能采取根據(jù)需要來取舍運算速度和精確 性。大體上，對兩個物體之間快速的精確碰撞檢測方法主要有兩類：包圍盒層次法和距離跟 蹤法。距離跟蹤法利用物體運動的時間連續(xù)性和幾何連續(xù)性，計算物體之間的最近距離，適 合于形狀簡單物體和物體的運動速度不是非?？鞎r使用，不適合虛擬微創(chuàng)手術中使用。在 虛擬微創(chuàng)手術中，虛擬手術器械和人體器官之間精確的碰撞檢測是形變和力反饋的基礎， 同時虛擬微創(chuàng)手術環(huán)境的復雜性和實時性又對碰撞檢測提出了更高的要求。可以說碰撞檢 測貫穿于整個虛擬手術過程中，虛擬微創(chuàng)手術采用的碰撞檢測算法應該具備幾個條件：快 速、準確、穩(wěn)定可靠、可以用于物理模型的仿真； 4. 組織的仿真變形 對人體器官組織進行力學特性分析，可基于線性彈性模型建立人體器官組織物理模 型，采用質點一彈簧模型構造人體器官的計算模型。同時，利用鄰接矩陣表示方法對人體器 官模型的拓撲結構進行描述。此外還需要建立人體器官物理模型的動力學通用方程，采用 兩階Runge-Kutta方法對此方程組求解。采用質點一彈簧/阻尼器模型的進行仿真； 5. 系統(tǒng)模塊設計 系統(tǒng)模塊設計中包含了人機交互界面模塊，材質光照渲染模塊，紋理模塊，聲音模塊， 集合變換模塊和系統(tǒng)控制。
[0012] 以上所述，僅是本發(fā)明較佳實施例而已，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡依 據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改，等同變化與修飾，仍屬于本發(fā)明 技術方案的范圍內。
【權利要求】
1. 一種虛擬微創(chuàng)手術訓練系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)主要由操作機構，控制系統(tǒng)和軟件平 臺三大模塊構成；其中操作機構包括機構設計，三維建模；控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集硬件設 計，數(shù)據(jù)采集接口設計；軟件平臺包括幾何建模，物理建模，碰撞檢測，組織仿真變形，系統(tǒng) 模塊設計；而系統(tǒng)模塊設計中又包含了人機交互界面模塊，材質光照渲染模塊，紋理模塊， 聲音模塊，集合變換模塊和系統(tǒng)控制。
2. 根據(jù)權利要求1所述的虛擬微創(chuàng)手術訓練系統(tǒng)，其特征在于，所述的操作機構運用 AutoCAD、SolidWorks進行機構設計和實現(xiàn)操作機構建模。
3. 根據(jù)權利要求1所述的虛擬微創(chuàng)手術訓練系統(tǒng)，其特征在于，所述的控制系統(tǒng)向虛 擬微創(chuàng)手術仿真系統(tǒng)提供有效的數(shù)據(jù)，通過該系統(tǒng)實時采集手術器械的空間位置數(shù)據(jù)，確 定模型在虛擬空間中的游走軌跡和位置。
4. 根據(jù)權利要求1所述的虛擬微創(chuàng)手術訓練系統(tǒng)，其特征在于，所述的軟件平臺實現(xiàn) 系統(tǒng)模塊設計和模型游走訓練。
【文檔編號】G09B9/00GK104112375SQ201310138968
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2013年4月22日 優(yōu)先權日:2013年4月22日
【發(fā)明者】李稱鑫, 張丹丹, 劉雁飛 申請人:天津市天堰醫(yī)教科技開發(fā)有限公司