本发明属于虚拟现实领域，更具体地，涉及一种互动式口腔模拟系统。
背景技术：
口腔科教学中，需要深入理解牙齿的外部形态、内部构造以及头颈部与口腔相关的肌肉、骨骼等，相互关系错综复杂。虽然已经能用数字技术构造口腔各结构的立体模型，可以使学员对结构有比较直观的认识。
然而口腔科教学中有许多手术操作，仅仅对口腔结构的视觉认识，不足以使得学员了解手术操作难度，因此需要有更直观和互动式的方式，进行口腔教学和操作模拟。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种互动式口腔模拟系统，其目的在于通过数字化的口腔3d模型显示及互动式的模拟器械操作，由此解决现有口腔教学展示手段不直观、无法进行操作模拟的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种互动式口腔模拟系统，包括显示装置和操作装置，所述显示装置用于展示所述装置和口腔模型的相对位置，所述操作装置用于模拟用户对与口腔器械的操作并反馈口腔器械的位置、空间姿态、状态信息。
优选地，所述互动式口腔模拟系统，其显示装置，可为外接式头显设备或者头戴式显示设备。
优选地，所述互动式口腔模拟系统，其显示装置包括头部姿态获取部件、上位机、图像显示部件；
所述头部姿态获取部件，用于获取用户头部姿态信息；
所述上位机，用于实时计算虚拟空间模型，所述虚拟空间包括口腔模型、以及所述操作装置模拟的操作模型，所述口腔模型相对于所述虚拟空间是位置固定的，所述操作装置模型根据所述操作装置的位置、空间姿态、以及状态信息呈现不同的影像，其相对于所述虚拟空间是位置可变的；
所述图像显示部件，用于根据所述头部姿态获取部件获取的头部姿态以及所述上位机计算的虚拟空间模型，计算所述虚拟空间模型呈现于具有所述头部姿态的用户的图像，并将所述图像进行显示。
优选地，所述互动式口腔模拟系统，其头部姿态获取部件为外接式头显设备或者头戴式显示设备。
优选地，所述互动式口腔模拟系统，其虚拟空间模型，包括用于模拟口腔的口腔模型和用于模拟操作器械的操作装置模型。
优选地，所述互动式口腔模拟系统，其口腔模型按照如下方法建立：
1)获取不同年龄段标准的口腔结构信息，所述年龄段包括：乳牙列时期、混合牙列时期、以及恒牙列时期，包括：上下颌骨、颞下颌关节、骨骼的位置、形状、硬度参数、以及上下颌骨内部结构结构；各牙齿位置、形状、内部结构、硬度参数；牙周组织位置、形状、硬度参数；舌肌、咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌的位置、形状；以及三叉神经以及面神经分布。
2)根据步骤1)中获得的不同年龄段标准的口腔结构信息，针对每一年龄阶段，分别构建上下颌骨立体结构模型、各牙齿立体结构模型、牙周组织立体结构模型、舌立体结构模型、面部肌肉立体模型、以及神经分布立体结构模型；
3)将步骤2)中获得的上下颌骨立体结构模型、各牙齿立体结构模型、牙周组织立体结构模型、舌立体结构模型、面部肌肉立体模型、以及神经分布立体结构模型复合为所述口腔模型。
优选地，所述互动式口腔模拟系统，其操作装置模型按照如下方法建立：
a、获取不同操作器械的结构及状态信息，所述操作器械至少包括口腔内科器械，优选还包括口腔拔牙器械、口腔修复器械、口腔种植器械、和/或口腔正畸器械。所述口腔内科器械至少包括检查器械，优选还包括充填器械、抛光器械、根管预备器械、和/或窝洞预备器械。所述结构信息包括所述器械各部件的形状、大小及结合方式；所述状态信息包括状态种类、各状态下所述器械各个部件的相对位置、姿态；
b、根据步骤a中获得的各种操作器械的结构及状态信息，构所述器械的立体模型；
c、将步骤b中构建的所述器械的立体模型，与所述操作装置空间位置和姿态关联，根据所述操作装置空间位置和姿态的变化，确定所述操作装置模型与所述口腔模型的相对位置和相对空间姿态。
优选地，所述互动式口腔模拟系统，其操作装置，包括左操作臂和右操作臂，所述左右操臂作对称设置。
优选地，所述互动式口腔模拟系统，其左操作臂和右操作臂在与所述虚拟空间模型相应的实体空间内自由活动。
优选地，所述互动式口腔模拟系统，其左操作臂和右操作臂具有传感器，用于获取所述左操作臂和右操作臂相对于所述实体空间的位置和空间姿态信息，所述位置和空间姿态信息与所述显示装置的虚拟空间模型相关联。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的互动式口腔模拟系统，能直观的显示口腔牙齿、骨骼、牙周组织、舌、相关肌肉等组织，给用户直观的印象，同时还能模拟实际观察口腔的角度和视觉效果，更进一步的能模拟使用各种口腔操作器械，应用于口腔教学、展示以及模拟操作，可以给用户留下更直观的印象，甚至可以帮助用户积累操作经验。
附图说明
图1是本发明提供的互动式口腔模拟系统结构示意图；
图2是本发明实施例提供的口腔模型示意图；
图3是本发明实施例提供的探针模型结构示意图；
图4是本发明实施例提供的口镜模型结构示意图；
图5是本发明实施例提供的镊子模型结构示意图；
图6是本发明实施例提供的操作装置例一的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的操作装置例二的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：101为头部姿态获取部件，102为上位机，103为图像显示部件，201为左操作臂，202右操作臂,601为固定点，602为下臂，603为上臂，604为模拟臂，605为伸缩电缸,701为支撑臂。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种互动式口腔模拟系统，包括显示装置和操作装置，所述显示装置用于展示所述装置和口腔模型的相对位置，所述操作装置用于模拟用户对与口腔器械的操作并反馈口腔器械的位置、空间姿态、状态信息。
所述显示装置，可为外接式头显设备或者头戴式显示设备。优选方案，所述显示装置包括头部姿态获取部件、上位机、图像显示部件。所述头部姿态获取部件，用于获取头部姿态信息，可为固定在用户头部的多个位移传感器，当所述装置为头戴式设备时，所述头部姿态获取部件为重力感应传感器和/或三轴陀螺仪。所述上位机，用于实时计算虚拟空间模型，所述虚拟空间包括口腔模型、以及所述操作装置模拟的操作模型，所述口腔模型相对于所述虚拟空间是位置固定的，所述操作装置模型根据所述操作装置的位置、空间姿态、以及状态信息呈现不同的影像，其相对于所述虚拟空间是位置可变的。所述图像显示部件，用于根据所述头部姿态获取部件获取的头部姿态信息以及所述上位机计算的虚拟空间模型，计算所述虚拟空间模型呈现于具有所述头部姿态的用户的图像，并将所述图像进行显示。
所述虚拟空间模型，包括用于模拟口腔的口腔模型和用于模拟操作器械的操作装置模型，分别按照如下方法建立：
口腔模型建立：
1)获取不同年龄段标准的口腔结构信息，所述年龄段包括：乳牙列时期、混合牙列时期、以及恒牙列时期，包括：上下颌骨、颞下颌关节、骨骼的位置、形状、硬度参数、以及上下颌骨内部结构结构；各牙齿位置、形状、内部结构、硬度参数；牙周组织位置、形状、硬度参数；舌肌、咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌的位置、形状；以及三叉神经以及面神经分布。
2)根据步骤1)中获得的不同年龄段标准的口腔结构信息，针对每一年龄阶段，分别构建上下颌骨立体结构模型、各牙齿立体结构模型、牙周组织立体结构模型、舌立体结构模型、面部肌肉立体模型、以及神经分布立体结构模型；
3)将步骤2)中获得的上下颌骨立体结构模型、各牙齿立体结构模型、牙周组织立体结构模型、舌立体结构模型、面部肌肉立体模型、以及神经分布立体结构模型复合为所述口腔模型。
操作装置模型建立：
a、获取不同操作器械的结构及状态信息，所述操作器械至少包括口腔内科器械，优选还包括口腔拔牙器械、口腔修复器械、口腔种植器械、和/或口腔正畸器械。所述口腔内科器械至少包括检查器械，优选还包括充填器械、抛光器械、根管预备器械、和/或窝洞预备器械。所述结构信息包括所述器械各部件的形状、大小及结合方式；所述状态信息包括状态种类、各状态下所述器械各个部件的相对位置、姿态；
b、根据步骤a中获得的各种操作器械的结构及状态信息，构所述器械的立体模型；
c、将步骤b中构建的所述器械的立体模型，与所述操作装置空间位置和姿态关联，根据所述操作装置空间位置和姿态的变化，确定所述操作装置模型与所述口腔模型的相对位置和相对空间姿态。
所述操作装置，包括左操作臂和右操作臂，所述左右操臂作对称设置。所述左操作臂和右操作臂在与所述虚拟空间模型相应的实体空间内自由活动，且具有传感器，用于获取所述左操作臂和右操作臂相对于所述实体空间的位置和空间姿态信息，所述位置和空间姿态信息与所述显示装置的虚拟空间模型相关联。
以下为实施例：
实施例1
本发明提供了一种互动式口腔模拟系统，如图1所示，包括显示装置和操作装置，所述显示装置用于展示所述装置和口腔模型的相对位置，所述操作装置用于模拟用户对与口腔器械的操作并反馈口腔器械的位置、空间姿态、状态信息。
所述显示装置，为外接头式显示设备，包括头部姿态获取部件及外接头、上位机、图像显示部件即显示器。所述头部姿态获取部件可为固定在用户头部的多个位移传感器。所述上位机，用于计算虚拟空间模型，所述虚拟空间包括口腔模型、以及所述操作装置模拟的操作模型，所述口腔模型相对于所述虚拟空间是位置固定的，所述操作装置模型根据所述操作装置的位置、空间姿态、以及状态信息呈现不同的影像，其相对于所述虚拟空间是位置可变的。所述图像显示部件，用于根据所述头部姿态获取部件获取的头部姿态以及所述上位机计算的虚拟空间模型，计算所述虚拟空间模型呈现于具有所述头部姿态的用户的图像，并将所述图像进行显示。
所述虚拟空间模型按照如下方法建立：
口腔模型建立：
1)获取恒牙列时期标准的口腔结构信息，通过x光照片和口腔实物模型模拟获得，包括：上下颌骨、颞下颌关节、骨骼的位置、形状、硬度参数、以及上下颌骨内部结构结构；各牙齿位置、形状、内部结构、硬度参数；牙周组织位置、形状、硬度参数；舌肌、咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌的位置、形状；以及三叉神经以及面神经分布。
2)根据步骤1)中获得的不同年龄段标准的口腔结构信息，针对每一年龄阶段，分别构建上下颌骨立体结构模型、各牙齿立体结构模型、牙周组织立体结构模型、舌立体结构模型、面部肌肉立体模型、以及神经分布立体结构模型；
3)将步骤2)中获得的上下颌骨立体结构模型、各牙齿立体结构模型、牙周组织立体结构模型、舌立体结构模型、面部肌肉立体模型、以及神经分布立体结构模型复合为所述口腔模型。
口腔模型如图2所示。
操作装置模型建立：
a、获取不同操作器械的结构及状态信息，所述操作器械包括口腔内科器械，所述口腔内科器械包括检查器械，具体为：探针、口镜、镊子。所述结构信息包括所述器械各部件的形状、大小及结合方式；所述状态信息包括状态种类、各状态下所述器械各个部件的相对位置、姿态；
探针模型：形状、大小及结合方式如图3所示，姿态信息由操作装置模拟，包括手持点位置、旋转角度、俯仰角度；关联轴于操作臂的姿态关联；受力点处计算与口腔型互动的受力情况，握持点根据受力点的受力情况和关联轴以及下一时刻位置计算握持点的阻力并反馈给操作装置，改变操作装置的电杆特性来该表手持施力的感觉。
口镜模型：形状、大小及结合方式如图4所示，姿态信息由操作装置模拟，包括手持点位置、旋转角度、俯仰角度；状态信息，包括镜面显示图像，所述镜面显示图像根据头部姿态获取部件获取的头部姿态信息、口径的位置姿态信息、以及口腔模型，通过计算获得在所述头部姿态下关于口腔镜镜像的口腔模型图像数据，并显示在所述口腔镜镜面位置，关联轴于操作臂的姿态关联；受力点处计算与口腔型互动的受力情况，握持点根据受力点的受力情况和关联轴以及下一时刻位置计算握持点的阻力并反馈给操作装置，改变操作装置的电杆特性来该表手持施力的感觉。
镊子模型：形状、大小及结合方式如图5所示，姿态信息由操作装置模拟，包括手持点位置、旋转角度、俯仰角度；状态信息，包括开合角度、以及是否受力，所述开合角度根据镊子前端所处位置、根据操作装置状态计算的镊子前端目标位置判断开合角度，并通过迭代计算实时更新；所述是否受理，根据开合角度、镊子前端所处位置以及口腔模型中的具体位置判断：当镊子模型两前端的目标位置均为所述口腔模型的空间位置之内，且镊子模型两前端的前端所述位置均为所述口腔模型的空间位置之外，则判断所述镊子模型受力，否则判断为不受力；受力点处计算与口腔型互动的受力情况，握持点根据受力点的受力情况和关联轴以及下一时刻位置计算握持点的阻力并反馈给操作装置，改变操作装置的电杆特性来该表手持施力的感觉。
以上模型仅为示例，牙科的器械皆可根据需求进行数据采集和计算模拟，例如打磨机手柄等，采用数字化的手柄模型可减少对用于打磨操作练习的真齿的需求，而通过操作臂的力反馈达到模拟真实牙齿打磨的操作积累。
b、根据步骤a中获得的各种操作器械的结构及状态信息，构所述器械的立体模型；
c、将步骤b中构建的所述器械的立体模型，与所述操作装置空间位置和姿态关联，根据所述操作装置空间位置和姿态的变化，确定所述操作装置模型与所述口腔模型的相对位置和相对空间姿态。
所述操作装置，如图6或图7所示，包括左操作臂和右操作臂，所述左右操臂作对称设置。所述左操作臂和右操作臂在与所述虚拟空间模型相应的实体空间内独立自由活动，且具有传感器，用于获取所述左操作臂和右操作臂相对于所述实体空间的位置和空间姿态信息，所述位置和空间姿态信息与所述显示装置的虚拟空间模型相关联。
图6所示的左右操作臂，分别包括固定点、下臂、上臂、以及模拟臂；所述固定点与下臂可活动连接，所述固定点可围绕竖直的z轴旋转，并具有角度传感器，用于记录固定点相围绕z轴旋转的角度，下臂与固定点之间通过铰链活动连接，并具有角度传感器，记录下臂在z轴所在的平面内与z轴的夹角；所述上臂和下臂活动链接，并分别安装伸缩电缸，用于控制所述上臂和下臂之间的角度，并且根据电缸加载的力的大小反馈用户不同的施力程度，所述上臂和下臂的连接处具有角度传感器，用于记录所述上臂和下臂的夹角；所述上臂及模拟臂通过铰链可活动连接，连接处作为手持点，其位置根据固定点相围绕z轴旋转的角度、下臂在z轴所在的平面内与z轴的夹角、下臂长度、所述上臂和下臂之间的角度、以及上臂长度计算其相对于固定点的位置，从而确定其在虚拟空间模型的位置，所述连接处具有角度传感器，用于记录上臂及模拟臂，从而获得所述模拟臂的俯仰角度；所述模拟臂用于模拟器械，其空间姿态与虚拟空间模型中的器械模型关联，优选方案，模拟比上具有按钮，用于获取用户对修正器械状态信息的指令；用户手持模拟臂进行器械操作。
图7所示的左右操作臂，分别包括固定点、支撑臂、以及模拟臂；所述固定点与支撑臂可活动连接，所述固定点可围绕竖直的z轴旋转，并具有角度传感器，用于记录固定点相围绕z轴旋转的角度，支撑臂与固定点之间通过铰链活动连接，并具有角度传感器，记录支撑臂在z轴所在的平面内与z轴的夹角；所述支撑臂为伸缩电缸，其长度可调并可读，并且根据电缸加载的力的大小反馈用户不同的施力程度；所述支撑臂和模拟臂通过铰链可活动连接，连接处作为手持点，其位置根据固定点相围绕z轴旋转的角度、支撑臂在z轴所在的平面内与z轴的夹角、支撑臂长度计算其相对于固定点的位置，从而确定其在虚拟空间模型的位置，所述连接处具有角度传感器，用于记录上臂及模拟臂，从而获得所述模拟臂的俯仰角度；所述模拟臂用于模拟器械，其空间姿态与虚拟空间模型中的器械模型关联，优选方案，模拟比上具有按钮，用于获取用户对修正器械状态信息的指令；用户手持模拟臂进行器械操作。
本实施例中：显示装置首先显示初始的口腔模型，用户通过系统分别选择左右操作臂模拟的器械模型；
当器械模型为探针时：显示装置显示探针模型相对于口腔模型的相对位置，用户通过操作模拟臂控制探针位置，显示装置实时显示探针的位置变化，当探针的某部分与下一时刻的目标位置处于口腔模型中时，根据口腔模型的各部分硬度对电缸加载阻力，如当下一位置处于牙齿模型区域，则阻力为最大值，使得模拟臂不能到达该位置，当下一位置处于亚洲组织区域，则阻力为中间值，反馈用户需要较大施力才能达该位置，且在口腔模型体现形变，显示在显示屏上。用户可通过万向按钮旋转所述探针模型。
当器械模型为口镜时，显示装置显示口镜模型相对于口腔模型的相对位置，操作过程同探针模型，口镜图像显示如上所述。
当器械模型为镊子时，显示装置显示镊子模型相对于口腔模型的相对位置，操作过程同探针模型，用户可通过按钮的按下加紧镊子，改变镊子的两脚夹角，当用户放松按钮时，镊子夹角恢复初始状态；当判断镊子加紧时，所述电缸阻力增加，反馈用户感受到需要较大施力才能改变镊子的位置，并且镊子尖端所接触的口腔模型子单元，如单颗牙齿模型或牙周组织模型，随着镊子的尖端位置改变而改变。
本实施例提供的互动式口腔模拟系统，其显示装置根据用户选择的模式，进行部分口腔模型子单元的显示，例如显示口腔相关的骨骼模型、显示各牙齿或者整幅牙齿模型、显示牙齿和牙周组织模型等等。
本实施例提供的互动式口腔模拟系统，能直观的显示口腔牙齿、骨骼、牙周组织、舌、相关肌肉等组织，给用户直观的印象，同时还能模拟实际观察口腔的角度和视觉效果，更进一步的能模拟使用各种口腔操作器械，应用于口腔教学、展示以及模拟操作，可以给用户留下更直观的印象，甚至可以帮助用户积累操作经验。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。