妇科检查虚实同步模拟方法与流程

本发明属于虚拟现实技术领域，具体涉及一种妇科检查虚实同步模拟方法。

背景技术：

妇科检查中对于子宫的检查至关重要，通常采用双合诊、三合诊或一些器械进行检查。医学院校老师在教学时，通常采用妇科模型进行模拟教学，但是单一的妇科模型已无法满足目前的教学需求，学生在妇科模型进行训练时，无法观察自己的操作手法，同时老师也不便评价。所以目前的教学产品已逐渐朝虚拟现实技术方向发展，采用现实的妇科模型结合虚拟的妇科模型组成的虚拟妇科检查系统，那么就需要实现现实和虚拟的检查训练动作的同步。因此，本发明设计了一种妇科检查虚实同步模拟方法，使现实操作和虚拟操作同步。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明公开了一种妇科检查虚实同步模拟方法，可以实现妇科检查现实操作和虚拟操作的同步。

本发明所采用的技术方案为：一种妇科检查虚实同步模拟方法，包括：

（1）分别建立虚拟操作体的碰撞体及虚拟操作体运动空间的碰撞体、虚拟子宫的碰撞体及虚拟子宫运动限制空间的碰撞体；所述虚拟操作体运动空间为一包围虚拟子宫且露出虚拟子宫颈的空间；所述虚拟子宫运动限制空间至少为包围虚拟操作体运动空间的空间；所述虚拟子宫运动限制空间至多为虚拟盆腔的空间；

（2）采用电磁跟踪系统跟踪现实操作体的空间位置和空间姿态并实时变换为虚拟操作体的空间位置P和空间姿态Q，同时使虚拟操作体在3D虚拟场景中与现实操作体保持同步运动，虚拟子宫保持初始位置和姿态；

（3）采用物理引擎进行虚拟操作体的碰撞体与虚拟操作体运动空间的碰撞体的碰撞检测；

（4）判断虚拟操作体是否碰撞并进入虚拟操作体运动空间，是则进入步骤（5）；否则返回步骤（2），虚拟子宫保持初始位置和姿态，虚拟操作体随着现实操作体的运动而同步运动，实现现实操作体与虚拟操作体进行妇科检查子宫颈、子宫口操作的同步，包括仿真扪触、仿真轻刮、仿真轻刷、仿真涂抹的同步检查；

（5）进行虚拟操作体的碰撞体与虚拟子宫的碰撞体的碰撞检测；

（6）判断虚拟操作体与虚拟子宫是否碰撞接触，是则进入步骤（7），否则返回步骤（5）；

（7）渲染引擎根据虚拟操作体实时的空间位置P和空间姿态Q进行虚拟子宫空间位置O’和空间姿态Q’的数据处理，并驱动虚拟子宫根据实时数据处理的结果与虚拟操作体同步运动，具体运动轨迹渲染方法如下：

a、建立世界坐标系xyz，坐标原点为O；建立虚拟子宫的局部坐标系x’y’z’，坐标原点为O’；

b、在虚拟操作体与虚拟子宫碰撞接触的初始时刻，虚拟操作体的空间位置为P0、空间姿态为Q0，转换到局部坐标系x’y’z’中的空间位置为P0’= Q0^-1P0, 空间姿态为Q0^-1，O’点在局部坐标系x’y’z’中与虚拟操作体的位置偏移为-P0’，变换至世界坐标系xyz中为-QP0’;

c、在虚拟操作体与虚拟子宫碰撞接触后，虚拟操作体实时的空间位置为P、空间姿态为Q，则O’点（即虚拟子宫）在世界坐标系xyz中的空间位置为O’=P-QP0’= P-QQ0^-1P0，空间姿态Q’=QQ0^-1，渲染引擎按此空间位置O’和空间姿态Q’驱动虚拟子宫随着虚拟操作体的运动而同步运动，实现现实操作体与虚拟操作体进行妇科检查子宫操作的同步，包括仿真抬举、仿真按压的同步检查；

（8）判断虚拟子宫的碰撞体与虚拟子宫运动限制空间的碰撞体是否碰撞接触，是则虚拟子宫为前一不受限的位置和姿态；否则保持步骤（7）的运动轨迹；

（9）判断虚拟操作体是否脱离虚拟操作体运动空间，是则进入步骤（2），虚拟子宫恢复其初始位置和姿态；否则保持步骤（7）的运动轨迹。

进一步，所述虚拟子宫的碰撞体的体积为虚拟子宫体积的50%~100%。

进一步，所述虚拟操作体包括虚拟手和虚拟器械。

进一步，所述虚拟器械包括虚拟刮板、虚拟宫颈刷、虚拟刮匙、虚拟棉签、虚拟活检钳、虚拟举宫器。

本发明所述妇科检查虚实同步模拟方法，有益效果在于：可以实现妇科器械检查、双合诊和三合诊检查时现实训练和虚拟仿真训练的同步，便于老师和学生观察仿真训练的手法以及评价，可进行对子宫的仿真检查训练；同时采用本发明所述的方法，子宫无需安装位姿传感器，即可实现虚拟子宫随着虚拟操作体的操作而同步运动，节约成本。

附图说明

图1是本发明妇科检查虚实同步模拟方法的简要流程图。

图2是本发明虚拟妇科检查系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

在本发明的权利要求书和说明书中，为了清楚的表述本发明，多次出现了“姿态“、“碰撞体”这两个名词，现对它说明如下：本发明所述的姿态是采用四元数据来描述的；本发明所述的碰撞体可以采用球形、长方体、圆柱体、胶囊体、凸多面体。

图1是本发明妇科检查虚实同步模拟方法的简要流程图，图2是本发明虚拟妇科检查系统的示意图。本发明虚拟妇科检查系统包括：现实妇科模型1、虚拟3D妇科模型2、现实操作体11、虚拟操作体12、电磁跟踪系统6和计算机7。现实妇科模型1为一具有标准妇科检查截石位的模型，并具有阴道模型101、子宫模型103、肛门及直肠模型104、盆腔模型105，以及子宫模型103所包括的子宫颈模型102，采用3D打印、模具成型或数控机床（CNC, Computer numerical control）加工而制成。虚拟3D妇科模型2具有与现实妇科模型1相一致的结构，具有虚拟阴道201、虚拟子宫203、虚拟肛门及直肠204、虚拟盆腔205，以及虚拟子宫203所包括的虚拟子宫颈202，采用3D扫描或计算机绘制而成。所述虚拟操作体12包括虚拟手3和虚拟器械4。所述现实操作体11包括训练手10和现实器械5。虚拟手3与训练手10具有一致的结构，采用3D扫描或计算机绘制而成。虚拟器械4（图2中示意图为一虚拟刮板）与现实器械5具有一致的结构，采用3D扫描或计算机绘制而成，所述虚拟器械4可以包括虚拟刮板、虚拟宫颈刷、虚拟刮匙、虚拟棉签、虚拟活检钳、虚拟举宫器等。电磁跟踪系统6包括磁场发生器，位姿传感器，由信号调理电路、数据采集卡和位姿转换模块构成的位姿捕捉器，磁场发生器有三个相互垂直的线圈，接通交流电后在现实模型所在的空间产生稳定的磁场，位姿传感器上的磁感应元件根据磁场强度和空间位置不同发出不同的信号，信号通过调理电路进入数据采集卡，从而将信号转化为空间位置和姿态，位姿转换模块将数据采集卡输出的现实模型的空间位置和姿态通过空间变换原理变换为虚拟模型的虚拟空间位置和姿态，位姿传感器设置于训练手10的手指之上，以及设置于现实器械5之上。所述计算机7还包括一显示器，用于数据处理和虚拟显示。

本发明所述妇科检查虚实同步模拟方法，包括：

（1）分别建立虚拟操作体12的碰撞体及虚拟操作体运动空间8的碰撞体、虚拟子宫203的碰撞体及虚拟子宫运动限制空间9的碰撞体；所述虚拟操作体12包括虚拟手3和虚拟器械4。所述虚拟器械4包括虚拟刮板（如图2中所画示意图）、虚拟宫颈刷、虚拟刮匙、虚拟棉签、虚拟活检钳、虚拟举宫器。所述虚拟操作体运动空间8为一包围虚拟子宫203且露出虚拟子宫颈202的空间；所述虚拟子宫运动限制空间9至少为包围虚拟操作体运动空间8的空间；所述虚拟子宫运动限制空间9至多为虚拟盆腔205的空间；所述虚拟子宫203的碰撞体的体积为虚拟子宫203体积的50%~100%；

（2）采用电磁跟踪系统6跟踪现实操作体11的空间位置和空间姿态并实时变换为虚拟操作体12的空间位置P和空间姿态Q，同时使虚拟操作体12在3D虚拟场景中与现实操作体11保持同步运动，并显示于计算机7的显示器上，虚拟子宫203保持初始位置和姿态；

（3）采用物理引擎进行虚拟操作体12的碰撞体与虚拟操作体运动空间8的碰撞体的碰撞检测；

（4）判断虚拟操作体12是否碰撞并进入虚拟操作体运动空间8，是则进入步骤（5）；否则返回步骤（2），虚拟子宫203保持初始位置和姿态，虚拟操作体12随着现实操作体11的运动而同步运动，实现现实操作体11与虚拟操作体12进行妇科检查子宫颈、子宫口操作的同步，包括仿真扪触、仿真轻刮、仿真轻刷、仿真涂抹的同步检查；

（5）进行虚拟操作体12的碰撞体与虚拟子宫203的碰撞体的碰撞检测；

（6）判断虚拟操作体12与虚拟子宫203是否碰撞接触，是则进入步骤（7），否则返回步骤（5）；

（7）渲染引擎根据虚拟操作体12实时的空间位置P和空间姿态Q进行虚拟子宫203空间位置O’和空间姿态Q’的数据处理，并驱动虚拟子宫203根据实时数据处理的结果与虚拟操作体12同步运动，具体运动轨迹渲染方法如下：

a、建立世界坐标系xyz，坐标原点为O；建立虚拟子宫203的局部坐标系x’y’z’，坐标原点为O’；

b、在虚拟操作体12与虚拟子宫203碰撞接触的初始时刻，虚拟操作体12的空间位置为P0、空间姿态为Q0，转换到局部坐标系x’y’z’中的空间位置为P0’= Q0^-1P0, 空间姿态为Q0^-1，O’点在局部坐标系x’y’z’中与虚拟操作体12的位置偏移为-P0’，变换至世界坐标系xyz中为-QP0’;

c、在虚拟操作体12与虚拟子宫203碰撞接触后，虚拟操作体12实时的空间位置为P、空间姿态为Q，则O’点（即虚拟子宫203）在世界坐标系xyz中的空间位置为O’=P-QP0’= P-QQ0^-1P0，空间姿态Q’=QQ0^-1，渲染引擎按此空间位置O’和空间姿态Q’驱动虚拟子宫203随着虚拟操作体12的运动而同步运动，实现现实操作体11与虚拟操作体12进行妇科检查子宫操作的同步，包括仿真抬举、仿真按压的同步检查；

（8）判断虚拟子宫203的碰撞体与虚拟子宫运动限制空间9的碰撞体是否碰撞接触，是则虚拟子宫203为前一不受限的位置和姿态；否则保持步骤（7）的运动轨迹；

（9）判断虚拟操作体12是否脱离虚拟操作体运动空间8，是则进入步骤（2），虚拟子宫203恢复其初始位置和姿态；否则保持步骤（8）的运动轨迹。

本发明所述妇科检查虚实同步模拟方法，可以实现妇科器械检查、双合诊和三合诊检查时现实训练和虚拟仿真训练的同步，便于老师和学生观察仿真训练的手法以及评价，可进行对子宫的仿真检查训练；同时采用本发明所述的方法，子宫无需安装位姿传感器，即可实现虚拟子宫随着虚拟操作体的操作而同步运动，节约成本。

以上表示了本发明的优选实施例，应该理解的是，本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，以上描述并不作为对本发明的限制，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。