一種基于穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的標(biāo)記方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域，具體是一種基于穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的標(biāo)記方法。
【背景技術(shù)】
[0002]穿刺是臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)中一項(xiàng)重要的教學(xué)內(nèi)容，也是學(xué)生必須掌握的一項(xiàng)基本實(shí)踐技能。長期以來，臨床教師多采用模具進(jìn)行教學(xué)，即使是數(shù)萬元的模具，穿刺時(shí)手感不真實(shí)仍然是不可回避的，尤其是模具易損耗，限制了實(shí)際的使用。為了解決這一問題，本公司設(shè)計(jì)制造了一種穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有高度仿真、零風(fēng)險(xiǎn)、低成本、可重復(fù)性和可指定性等優(yōu)點(diǎn)，能高度逼真地模擬臨床手術(shù)操作的全過程，完全可以解決傳統(tǒng)手術(shù)實(shí)踐方法的缺陷。
[0003]在本公司設(shè)計(jì)制造的穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)中，標(biāo)記工作是這個(gè)系統(tǒng)中一個(gè)重要的教學(xué)訓(xùn)練項(xiàng)目，起著承上啟下的作用，在現(xiàn)實(shí)醫(yī)療實(shí)際中，標(biāo)記工作也是一項(xiàng)很重要的工作，標(biāo)記的正確與否關(guān)系著選擇穿刺點(diǎn)是否成功，而是否正確選擇穿刺點(diǎn)直接影響一場手術(shù)的成敗，因此，使廣大學(xué)生掌握正確的標(biāo)記方法是很有必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種高度仿真、零風(fēng)險(xiǎn)、低成本、可重復(fù)性和可指定性的穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上開拓一種標(biāo)記教學(xué)訓(xùn)練方法，能高度逼真地模擬臨床手術(shù)操作的標(biāo)記過程，完全可以解決傳統(tǒng)手術(shù)實(shí)踐方法的缺陷。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種基于穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的標(biāo)記方法，其特征在于，包括操作平臺(tái)，操作平臺(tái)向上延伸部位設(shè)置有支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置有可拆卸的操作屏幕，支撐結(jié)構(gòu)向側(cè)面延伸設(shè)置有控制屏幕，操作臺(tái)上還是設(shè)置有器械托盤，器械托盤通過圓柱形支架與操作臺(tái)相連，還包括用于在操作屏幕上進(jìn)行標(biāo)記操作的電容筆，還包括軟件部分，軟件部分由數(shù)據(jù)庫、界面交互、3D渲染、物理引擎、GPU并行計(jì)算碰撞檢測、柔體組織仿真和腳本語言組成。
[0006]本技術(shù)方案中的硬件采用模塊化設(shè)置，其中，操作平臺(tái)上可以安放醫(yī)學(xué)模型，便于操作者進(jìn)行操作，操作平臺(tái)上支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置操作屏幕，可以調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)的物理仿真和圖形渲染模塊，模擬真實(shí)的手術(shù)場景，逼真的畫面讓操作者有一種身臨其境的感覺，操作屏幕可以拆卸，方便更換；支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置控制屏幕，可以用來提示操作者，操作臺(tái)上設(shè)置的器械托盤是模擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)臺(tái)上的器械托盤，上?？梢苑胖酶鞣N醫(yī)療器械；本發(fā)明的電容筆是學(xué)生用來進(jìn)行虛擬標(biāo)記訓(xùn)練的，可以在操作屏幕上的3維人體模型上進(jìn)行標(biāo)記訓(xùn)練；本發(fā)明的軟件部分可以通過編程實(shí)現(xiàn)，或者通過現(xiàn)有程序的加載，其中，數(shù)據(jù)庫可以用來存儲(chǔ)系統(tǒng)在各種狀態(tài)下檢測到的數(shù)據(jù)，界面交互可以為操作者提供了一個(gè)人機(jī)交互平臺(tái)，操作者可以通過界面交互將各種指令輸入系統(tǒng)中；3D渲染可以將系統(tǒng)中的各種幾何圖形轉(zhuǎn)換成逼真的三維圖形，給操作者身臨其境的感覺，物理引擎和GPU并行計(jì)算碰撞檢測可以將系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成視覺、聽覺、嗅覺、觸覺和加速度等，柔性組織仿真就是仿真人體內(nèi)的各個(gè)組織器官，腳本語言又被稱為擴(kuò)建的語言，或者動(dòng)態(tài)語言，是一種編程語言，用來控制軟件應(yīng)用程序。
[0007]使用本發(fā)明的標(biāo)記訓(xùn)練過程，包括以下幾個(gè)步驟:
第一步，標(biāo)記準(zhǔn)備，操作者使用所述控制屏幕調(diào)用穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)中的3維人體模型；
第二步，標(biāo)記操作，操作者使用所述電容筆在所述操作屏幕上的3維人體模型表面上進(jìn)行標(biāo)記；
第三步，系統(tǒng)運(yùn)算，穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)后臺(tái)調(diào)用GPU并行計(jì)算碰撞檢測，計(jì)算出操作者使用所述電容筆在所述操作屏幕上的標(biāo)記軌跡與所述操作屏幕上的3維人體模型相交點(diǎn)信息并根據(jù)相交點(diǎn)信息修改對應(yīng)的所述操作屏幕上的3維人體模型貼圖上的顏色達(dá)到標(biāo)記效果；
第四步，系統(tǒng)判斷，穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)后臺(tái)根據(jù)所述操作屏幕上的3維人體模型貼圖涂抹結(jié)果，判斷標(biāo)記形狀是否正確并在所述操作屏幕上給出判斷信息；
第五步，標(biāo)記結(jié)束，操作者根據(jù)所述操作屏幕上的判斷信息，結(jié)束本次標(biāo)記操作，選擇重新標(biāo)記操作或者下一步操作。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過3維仿真，模擬真實(shí)標(biāo)記筆，使用修改紋理貼圖的技術(shù)，在人體模型上進(jìn)行標(biāo)記操作，通過實(shí)時(shí)修改顯存數(shù)據(jù)，使用投影貼圖的方式，在射線碰撞處，實(shí)現(xiàn)標(biāo)記痕跡的效果，而且可循環(huán)操作，節(jié)省了教學(xué)器械的損耗。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的硬件示意圖；
圖2是本發(fā)明的工作流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]為了加深對本發(fā)明的理解，下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述，該實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，并不對本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成限定。
[0011]醫(yī)生是實(shí)踐性非常強(qiáng)的職業(yè)，要經(jīng)過大量的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)積累才能上崗。目前醫(yī)生的實(shí)踐訓(xùn)練對象主要為以下4種，但是都存在明顯的缺陷:
尸體:無法重復(fù)使用，成本高，且越來越難獲得；
動(dòng)物:其組織結(jié)構(gòu)與人不同，并且也無法重復(fù)使用，單次成本高。
[0012]以上兩種方法均需在事前事后進(jìn)行運(yùn)輸、人工搬運(yùn)、目標(biāo)固定、消毒、事后清理等工作，耗時(shí)費(fèi)力；
病人:使用病人進(jìn)行練習(xí)、考試極不道德，一但發(fā)生事故后果嚴(yán)重。
[0013]手術(shù)模擬箱:該設(shè)備僅可用于練習(xí)微創(chuàng)環(huán)境下的空間感，屬于較初級(jí)的培訓(xùn)。例如用手術(shù)甜夾起?子。
[0014]本發(fā)明是由醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)出發(fā)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)重構(gòu)出虛擬人體軟組織模型，模擬出虛擬的醫(yī)學(xué)環(huán)境，并利用觸覺交互設(shè)備與之進(jìn)行交互的手術(shù)系統(tǒng)，為醫(yī)生提供一個(gè)虛擬3D環(huán)境以及可交互操作平臺(tái)，逼真的模擬臨床手術(shù)中標(biāo)記消毒操作的全過程。實(shí)施例
[0015]如圖1所示，一種基于穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的標(biāo)記方法，其特征在于，包括操作平臺(tái)，操作平臺(tái)向上延伸部位設(shè)置有支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置有可拆卸的操作屏幕，支撐結(jié)構(gòu)向側(cè)面延伸設(shè)置有控制屏幕，操作臺(tái)上還是設(shè)置有器械托盤，器械托盤通過圓柱形支架與操作臺(tái)相連，還包括用于在操作屏幕上進(jìn)行標(biāo)記操作的電容筆，還包括軟件部分，軟件部分由數(shù)據(jù)庫、界面交互、3D渲染、物理引擎、GPU并行計(jì)算碰撞檢測、柔體組織仿真和腳本語言組成。其中，本實(shí)施例的操作屏幕可以為平板電腦，平板電腦可以從系統(tǒng)上拆卸下來，平板電腦和系統(tǒng)還可以通過無線方式連接，無線操作功能使得教學(xué)授課、檢測指導(dǎo)變得靈活、簡單。
[0016]如圖2所示，是本實(shí)施例的工作過程:
第一步，標(biāo)記準(zhǔn)備，操作者使用所述控制屏幕調(diào)用穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)中的3維人體模型；
第二步，標(biāo)記操作，操作者使用所述電容筆在所述操作屏幕上的3維人體模型表面上進(jìn)行標(biāo)記；
第三步，系統(tǒng)運(yùn)算，穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)后臺(tái)調(diào)用GPU并行計(jì)算碰撞檢測，計(jì)算出操作者使用所述電容筆在所述操作屏幕上的標(biāo)記軌跡與所述操作屏幕上的3維人體模型相交點(diǎn)信息并根據(jù)相交點(diǎn)信息修改對應(yīng)的所述操作屏幕上的3維人體模型貼圖上的顏色達(dá)到標(biāo)記效果；
第四步，系統(tǒng)判斷，穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)后臺(tái)根據(jù)所述操作屏幕上的3維人體模型貼圖涂抹結(jié)果，判斷標(biāo)記形狀是否正確并在所述操作屏幕上給出判斷信息；
第五步，標(biāo)記結(jié)束，操作者根據(jù)所述操作屏幕上的判斷信息，結(jié)束本次標(biāo)記操作，選擇重新標(biāo)記操作或者下一步操作。
[0017]操作者使用電容筆，在操作屏幕上進(jìn)行滑動(dòng)，模擬醫(yī)生在病人身上標(biāo)記畫十字的過程，程序?qū)崟r(shí)獲取觸摸筆滑動(dòng)軌跡，使用屏幕射線碰撞檢測，實(shí)時(shí)判斷更新標(biāo)記筆在3維場景中的位置，通過實(shí)時(shí)修改顯存數(shù)據(jù)，使用投影貼圖的方式，在射線碰撞處，實(shí)現(xiàn)標(biāo)記痕跡的效果，系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)記痕跡進(jìn)行標(biāo)記準(zhǔn)確與否的判斷。
[0018]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的標(biāo)記方法，其特征在于，包括操作平臺(tái)，所述操作平臺(tái)向上延伸部位設(shè)置有支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置有可拆卸的操作屏幕，所述支撐結(jié)構(gòu)向側(cè)面延伸設(shè)置有控制屏幕，所述操作臺(tái)上還是設(shè)置有器械托盤，所述器械托盤通過圓柱形支架與所述操作臺(tái)相連，還包括用于在操作屏幕上進(jìn)行標(biāo)記操作的電容筆，還包括軟件部分，所述軟件部分由數(shù)據(jù)庫、界面交互、3D渲染、物理引擎、GPU并行計(jì)算碰撞檢測、柔體組織仿真和腳本語言組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的標(biāo)記方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步，標(biāo)記準(zhǔn)備，操作者使用所述控制屏幕調(diào)用穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)中的3維人體模型； 第二步，標(biāo)記操作，操作者使用所述電容筆在所述操作屏幕上的3維人體模型表面上進(jìn)行標(biāo)記； 第三步，系統(tǒng)運(yùn)算，穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)后臺(tái)調(diào)用GPU并行計(jì)算碰撞檢測，計(jì)算出操作者使用所述電容筆在所述操作屏幕上的標(biāo)記軌跡與所述操作屏幕上的3維人體模型相交點(diǎn)信息并根據(jù)相交點(diǎn)信息修改對應(yīng)的所述操作屏幕上的3維人體模型貼圖上的顏色達(dá)到標(biāo)記效果； 第四步，系統(tǒng)判斷，穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)后臺(tái)根據(jù)所述操作屏幕上的3維人體模型貼圖涂抹結(jié)果，判斷標(biāo)記形狀是否正確并在所述操作屏幕上給出判斷信息； 第五步，標(biāo)記結(jié)束，操作者根據(jù)所述操作屏幕上的判斷信息，結(jié)束本次標(biāo)記操作，選擇重新標(biāo)記操作或者下一步操作。
【專利摘要】本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域，具體是一種基于穿刺虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的標(biāo)記方法，包括操作平臺(tái)，操作平臺(tái)向上延伸部位設(shè)置有支撐結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)上設(shè)置有可拆卸的操作屏幕，支撐結(jié)構(gòu)向側(cè)面延伸設(shè)置有控制屏幕，操作臺(tái)上還是設(shè)置有器械托盤，器械托盤通過圓柱形支架與操作臺(tái)相連，還包括用于在操作屏幕上進(jìn)行標(biāo)記操作的電容筆，還包括軟件部分，軟件部分由數(shù)據(jù)庫、界面交互、3D渲染、物理引擎、GPU并行計(jì)算碰撞檢測、柔體組織仿真和腳本語言組成。
【IPC分類】G09B9-00, G09B23-28
【公開號(hào)】CN104680911
【申請?zhí)枴緾N201510108082
【發(fā)明人】于福東
【申請人】蘇州敏行醫(yī)學(xué)信息技術(shù)有限公司
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月12日