一种虚拟微创手术训练系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种虚拟微创手术训练系统，它主要由操作机构，控制系统和软件平台三大模块构成。其中操作机构包括机构设计，三维建模；控制系统包括数据采集硬件设计，数据采集接口设计；软件平台包括几何建模，物理建模，碰撞检测，组织仿真变形，系统模块设计。而系统设计中又包含了人机交互界面模块，材质光照渲染模块，纹理模块，声音模块，集合变换模块和系统控制。与传统训练系统相比加入了碰撞检测，能更加真实的模拟真实环境，帮助医学医护人员快速掌握微创手术的流程及方法。
【专利说明】一种虚拟微创手术训练系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种医学教学领域，尤其涉及一种虚拟微创手术训练系统。
【背景技术】
[0002] 当前，虚拟现实技术已成为计算机相关领域中继多媒体技术、Internet网络技术 之后关注及研究、开发与应用的热点，也是目前发展最快的一项多学科综合技术。在21世 纪，人类将进入虚拟现实的科技新时代，虚拟现实技术的发展和普及，必将在社会各领域得 到充分的发展，为人们的工作、生活带来深远的影响。现在，许多领域都以计算机为基础进 行学习和训练，它能够帮助人们增长知识和提高技能。医学领域也不例外，甚至表现更明 显，因为医学训练是一个时间漫长且花费昂贵的过程；然而随着虚拟现实技术和计算机网 络以及多媒体技术的飞速发展，利用虚拟现实技术实现的医学模拟训练系统，可以使训练 者随时进行练习，并且是在一个非常真实和安全的环境下，完成整个手术训练过程；目前它 的医学领域的应用潜力极为广阔。因此，对于虚拟微创手术训练机的市场需求愈加迫切，而 虚拟现实技术的出现使得对它的研制与开发已经成为一种必然。
【发明内容】
[0003] 为了解决医护人员不能达到真正熟练的掌握微创手术的问题，本发明提供一种虚 拟微创手术训练系统，加强医护人员技能，更加具有真实性。
[0004] 本发明是这样构成的：一种虚拟微创手术训练系统主要由操作机构、控制系统 和软件平台三大模块构成；其中所述的操作机构包括机构设计、三维建模，运用AutoCAD、 SolidWorks进行机构设计和实现操作机构建模；所述的控制系统包括数据采集硬件设计、 数据采集接口设计，向虚拟微创手术仿真系统提供有效的数据，通过该系统实时采集手术 器械的空间位置数据，确定模型在虚拟空间中的游走轨迹和位置；所述的软件平台包括几 何建模、物理建模、碰撞检测、组织仿真变形及系统模块设计，实现系统模块设计和模型游 走训练，其中系统模块设计中包含了人机交互界面模块，材质光照渲染模块，纹理模块，声 音模块，集合变换模块和系统控制。
[0005] 本发明与现有技术相比有以下优点：更加人性化的设计系统软件部分，提供碰撞 检测，提供更加真实的训练环境，帮助医学医护人员快速掌握微创手术的流程及方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0006] 图1为虚拟微创手术训练系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0007] 下面结合附图，对本发明做进一步详述。
[0008] 如图1所示，本发明一种虚拟微创手术训练系统主要由操作机构、控制系统和软 件平台三大模块构成。其中操作机构包括机构设计，三维建模；控制系统包括数据采集硬件 设计，数据采集接口设计；软件平台包括几何建模，物理建模，碰撞检测，组织仿真变形，系 统模块设计。而系统设计中又包含了人机交互界面模块，材质光照渲染模块，纹理模块，声 音模块，集合变换模块和系统控制。
[0009] 操作机构为医师手术训练提供操作平台。明确微创手术训练系统操作机构的设计 步骤，包括结构方案的分析与制定以及传感器选型。运用AutoCAD、SolidWorks进行机构 设计和实现操作机构建模。在设计过程中采用多元化的设计思想，思路要清晰、功能明确。 操作机构是虚拟微创手术训练系统的执行机构，是训练医师直接操纵的硬件平台。
[0010] 控制系统是连接操作机构与软件平台的一个桥梁，为向虚拟微创手术仿真系统提 供有效的数据，通过该系统实时采集手术器械的空间位置数据，可以确定模型在虚拟空间 中的游走轨迹和位置。本部分的设计包括选择数据采集设备，实现数据采集硬件设计；编制 数据采集接口程序，实现数据采集。
[0011] 软件部分实现系统模块设计和模型游走训练，它主要是模型在虚拟空间中的游 走。其中包含以下几个模块： 1. 几何建模 模块建立可以采用3DS MAX软件和SolidWorks软件制作，人体器官和手术器械几 何模型可分别保存为ASE文件格式和STL文件格式，因为这些格式都是以三角形网格形 式存储模型数据的，便于在虚拟场景中使用OpenGL重建，然后通过设计和编写接口程序， 使系统实现从ASE和STL格式文件中读取模型的三维图形数据的功能； 2. 物理模块 手术器械是刚体，即使与人体器官发生碰撞一般也不会发生变形，故虚拟手术器械在 虚拟场景中除了发生整体位置(平移、旋转）变化外，器械本身受力后不会发生形变，因此手 术器械用SolidWorks建模后导入场景可直接使用。人体器官则不一样，人体器官发生碰 撞受力后会产生变形，导入场景后需要建立其物理模型，由于人体器官是软组织，其形变十 分复杂，要构造逼真人体器官物理模型难度很大，逼真度越高，需要的计算、内存就越多，会 影响整个系统的响应速度。因此要建立高逼真度、快速响应的物理模型； 3. 碰撞检测 碰撞检测也称为干涉检测或者接触检测，是虚拟环境中一个重要组成部分，也是仿真 物体之间交互行为的基础问题。虚拟环境中的碰撞检测具体工作包括两个部分：检测是否 有碰撞发生，计算出碰撞发生的位置。2D物体的碰撞检测相对要容易，无论是采用像素判 断还是使用物体面积与距离判断都是可行的；但是3D场景中就有很大的麻烦，对于PC机 的运算能力，如果要检测每个物体的多边形和顶点的穿透，运算量将相当可观。目前对于 3D碰撞检测问题，还没有几乎完美的解决方案，只能采取根据需要来取舍运算速度和精确 性。大体上，对两个物体之间快速的精确碰撞检测方法主要有两类：包围盒层次法和距离跟 踪法。距离跟踪法利用物体运动的时间连续性和几何连续性，计算物体之间的最近距离，适 合于形状简单物体和物体的运动速度不是非常快时使用，不适合虚拟微创手术中使用。在 虚拟微创手术中，虚拟手术器械和人体器官之间精确的碰撞检测是形变和力反馈的基础， 同时虚拟微创手术环境的复杂性和实时性又对碰撞检测提出了更高的要求。可以说碰撞检 测贯穿于整个虚拟手术过程中，虚拟微创手术采用的碰撞检测算法应该具备几个条件：快 速、准确、稳定可靠、可以用于物理模型的仿真； 4. 组织的仿真变形 对人体器官组织进行力学特性分析，可基于线性弹性模型建立人体器官组织物理模 型，采用质点一弹簧模型构造人体器官的计算模型。同时，利用邻接矩阵表示方法对人体器 官模型的拓扑结构进行描述。此外还需要建立人体器官物理模型的动力学通用方程，采用 两阶Runge-Kutta方法对此方程组求解。采用质点一弹簧/阻尼器模型的进行仿真； 5. 系统模块设计 系统模块设计中包含了人机交互界面模块，材质光照渲染模块，纹理模块，声音模块， 集合变换模块和系统控制。
[0012] 以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，凡依 据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改，等同变化与修饰，仍属于本发明 技术方案的范围内。
【权利要求】
1. 一种虚拟微创手术训练系统，其特征是该系统主要由操作机构，控制系统和软件平 台三大模块构成；其中操作机构包括机构设计，三维建模；控制系统包括数据采集硬件设 计，数据采集接口设计；软件平台包括几何建模，物理建模，碰撞检测，组织仿真变形，系统 模块设计；而系统模块设计中又包含了人机交互界面模块，材质光照渲染模块，纹理模块， 声音模块，集合变换模块和系统控制。
2. 根据权利要求1所述的虚拟微创手术训练系统，其特征在于，所述的操作机构运用 AutoCAD、SolidWorks进行机构设计和实现操作机构建模。
3. 根据权利要求1所述的虚拟微创手术训练系统，其特征在于，所述的控制系统向虚 拟微创手术仿真系统提供有效的数据，通过该系统实时采集手术器械的空间位置数据，确 定模型在虚拟空间中的游走轨迹和位置。
4. 根据权利要求1所述的虚拟微创手术训练系统，其特征在于，所述的软件平台实现 系统模块设计和模型游走训练。
【文档编号】G09B9/00GK104112375SQ201310138968
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2013年4月22日 优先权日:2013年4月22日
【发明者】李称鑫, 张丹丹, 刘雁飞 申请人:天津市天堰医教科技开发有限公司