一种虚拟仿真正骨手法培训系统及其建立方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及虚拟仿真技术领域，更具体地说，特别涉及一种虚拟仿真正骨手法培训系统及其建立方法。
【背景技术】
[0002]中医正骨手法以“不开刀、康复快、花钱少”的特色，治疗骨折、关节脱臼等骨伤疾病，深受广大患者的欢迎。然而，目前不少医院、甚至中医院已基本放弃了这一疗法，正规的正骨术只在北派、南派的不到十家医院中传承着。在这些医院中，也只有年纪大的、退休医生熟悉中医正骨术，其他医生都采用手术等西医疗法治疗骨伤疾病。中医正骨疗法正遭遇尴尬，举步维艰，濒临失传。
[0003]导致这种境地的原因之一，是传统的正骨教学采用的是传统中医师带徒、一对一的教学方式，直接在骨折患者身上进行手法操作练习，增加了病人痛苦及因错误操作而给患者带来新的损伤，同时也使学生因亲临病人产生的紧张和慌乱感，学习周期长、效果差。另一方面，对于正骨手法的存储与传播，传统方式通过文字和图画进行记录，但无法形象地展现正骨手法实施的整个过程；通过制作动画方式来保存，每次制作的动画都不能在下次中重复利用，造成了非常严重的资源浪费；通过视频录像记录正骨手法的实施过程，往往存在无法从多个角度记录手法的实施，无法反映患骨在治疗过程的情况以及观众无法通过交互的方式来体验正骨过程的问题，而第三个原因是，中医正骨手法至今尚未形成标准的、客观的操作规范，也极大地影响了名医的经验的传承。
[0004]虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)是计算机学科的重点研宄领域，涉及计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术以及高度并行的实时计算技术，还包括人的行为学研宄等多项关键技术。虚拟现实能给用户以更逼真的体验，为探索宏观世界和微观世界以及种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律提供了极大的便利。也正是这一优势，使虚拟现实技术在医学领域中得到了广泛关注，已应用于医学教学、疾病诊断、手术模拟、康复医疗、远程医疗等方面。德国的卡尔斯鲁厄研宄中心(Forschungszentrum Karlsruhe)的 Uwe G.K hnapfel 等人于 1997 年研制成功虚拟腹腔镜手术训练系统Karlsruhe Endoscopic Surgery Trainer。他们开发了功能强大的3D模拟软件KISMET做为训练系统的核心软件，可完成实时的物理学模拟、运动学模拟以及快速的3D图形植染等功能。该训练系统采用弹簧振子(mass spring)模型模拟子宫等软组织形变，通过添加父结点使物体两侧的结点产生联系，使面模型形变表现出体行为，满足了实时性和逼真性的要求；该研宄中心于2002年又推出了系列系统VSOne。
[0005]美国波士顿动力学研宄中心(Boston Dynamics)研制的虚拟手术系统不但能产生十分逼真的血管、心脏、大脑的医学三维图象，并且具有精确的力反馈效果。外科医学生使用该系统的人机交互设备后就可以虚拟手术训练。手术训练者在使用该系统时，可以使用“虚拟镊子”、“虚拟缝针”等手术工具，进行“虚拟血管”缝合手术。通过偏振眼镜和立体显示装置，使用训练者获得如同在真实手术环境进行血管缝合手术的感受。
[0006]国内研宄与国外相比差距较大，清华大学、浙江大学、华中科技大学、南方医科大学、国防科技大学、解放军空军总医院、中科院自动化研宄所等单位在积极开展虚拟外科手术和手术训练方面的研宄，研宄多数集中在医学图象数据的三维重构及可视化、变形仿真、虚拟手术中的碰撞检测和抓取规则、以及手术辅助系统等方面。如清华大学开发的三维医学图像系统，西北大学研制的三维医学可视化分析平台，中科院自动化研宄所开发的三维医学图像处理系统，国防科技大学的虚拟膝关节镜手术仿真系统。
[0007]目前，国内将虚拟现实技术应用在中医中的研宄主要有以下方面:(1)中医远程脉诊系统；(2)腕踝针虚拟教学系统；(3)中医针灸教学系统。
[0008]基于虚拟现实技术的中医远程脉诊的研宄采用虚拟现实技术为核心生成视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户可借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、互相影响，使患者能够协同医生完成切脉过程，医生能够获得患者脉象的指端感受，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。充分利用虚拟现实技术对客观系统的本质属性进行抽象和重演的优势，有效地促进中医脉诊科学化和客观化。文献设计了基于虚拟现实技术的中医远程脉诊系统，主要解决中医远程脉诊系统实现的三个关键方面问题:1)患者能够协同医生完成切脉过程；2)医生能够获得患者脉象的指端感受；3)专家决策系统辅助病症决策。
[0009]文献[杨宇航，李志忠，任晓丹，何鑫，苏曼迪，基于虚拟现实技术的中医针灸教学系统，系统仿真学报，2007，19 (10):2379-2383]将虚拟现实技术应用于中医针灸教学与训练中，运用三维扫描和逆向工程的方法，研宄建立了一个三维人体模型的VRML文件，在建立VRML格式小球来表示模型上的穴位点，用十四条细线来表示人体上的十四条经络，将人体模型，穴位小球，经络线以及穴位的说明文件整合在一起，完成了针灸教学辅助系统的开发。该系统可以辅助针灸师的学习，同时为普通群众提供一个就医的参考。
[0010]文献[王士勇，罗虹，张力，基于三维交互技术的腕踝针虚拟教学系统的设计与实现，中国医学教育技术，2007，21 (3): 230-233]利用虚拟现实技术构建了腕踝针虚拟教学系统，对身体的分区、针刺点的定位这两个教学重点内容进行形象直观地表达，实现学习者对三维人体模型的自由操控，使学习者可以自由选择观察角度、观察距离，对腕踝针疗法身体的分区和针刺点位置进行观察。结合具体的病例，运用虚拟现实技术模拟真实的诊疗过程。即学习者依据具体的病例，以虚拟实验的方法，对系统创建的三维虚拟人体模型进行针刺点选择，并模拟进针手法。同时系统会根据学习者的操作，提供针刺点选择是否正确以及相对进针深度的信息反馈，以便及时纠正学习者的错误操作。通过不同病例的模拟诊疗，不断强化学习者对教学要点的掌握和理解。
[0011]虚拟现实技术在骨科方面的主要应用在骨关节外科，已可将术前采集的CT、MRI等影像数据在虚拟现实的工作平台进行三维重建，并进行三维可视化，部分已实现了旋转、移动、模拟切骨、截骨、置入器械等功能。但大多绘制速度较慢，难以反映术中现实，缺乏实时性，对电脑硬件的要求高，且价格昂贵。从目前国内外现状看，将虚拟现实技术应用到中医正骨，提供交互式的正骨虚拟仿真用于教学的研宄还未开展。
【发明内容】
[0012]本发明的第一目的在于针对现有技术中的中医正骨方法还无法虚拟仿真教学的问题，提供一种虚拟仿真正骨手法培训系统。
[0013]本发明的第二目的在于提供一种上述虚拟仿真正骨手法培训系统的建立方法。
[0014]为了达到上述第一目的，本发明采用的技术方案如下:
[0015]一种虚拟仿真正骨手法培训系统，包括:
[0016]数据采集模块，用于将正骨过程的操作者虚拟人手位置和骨折骨断处位置的追踪，并通过显示模块将其显示到一显示器画面中，即通过位置追踪装置，将正骨过程中医师手部位置和骨折两端位置都追踪到，记录追踪目标的动作六度空间变化数据，精度位移在I毫米以内、空间角度在I度以内，以减少追踪过程的误差度；
[0017]显示模块，用于显示骨折骨断处和虚拟人手处的动态模型；
[0018]三维建模模块，用于构建骨折骨断处和虚拟人手的静态模型和动态模型；
[0019]碰撞检测模块，用来检测用户所操纵的虚拟人手是否与虚拟场景中病人的肌肤发生了碰撞;
[0020]形变计算模块，用于对在正骨的运动过程和肌肤的形变进行模拟；
[0021]正骨标准手法数据库，用于对正骨手法的标准手法进行存储和对常见的伤骨和骨折断面形态进行存储；
[0022]比较模块，用于将用户所操纵的正骨手法与标准手法进行比较；
[0023]所述三维建模模块分别与数据采集模块、显示模块、碰撞检测模块，形变计算模块、比较模块相连接，所述比较模块还分别与正骨标准手法数据库、显示模块相连接，所述碰撞检测模块还与形变计算模块相连接。
[0024]进一步地，所述三维建模模块中包括静态模型控制器和动态模型控制器，所述静态模型控制器用于生成骨折骨断处和虚拟人手处的骨骼和软组织结构，动态模型控制器用于构建骨骼和软组织的动态模型。
[0025]进一