基于虚拟现实技术的放疗模拟训练系统及方法与流程

本发明涉及医学教学领域，具体为一种基于虚拟现实技术的放疗模拟训练系统及方法。

背景技术：

现代放射治疗计划是根据患者的临床特点、三维/四维医学影像断层扫描成像、以及不同的放射线设备等对患者制定详细的治疗方案(包括靶区、危及器官、辐射剂量、射线能量和大小、入射角度和时间等)。

放射治疗过程中物理师的技术水平直接影响治疗效果，同时放疗设备的质量保证和质量控制工作非常重要，其同样与患者的治疗效果息息相关。因此，放疗物理师的学习培训至关重要。但目前的培训学习大多以观看视频学习和现场观摩的方式进行，同时也没有专门的放疗模拟训练系统供物理师进行实操演练，由此导致物理师的操作水平和学习效率难以提高。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于虚拟现实技术的放疗模拟训练系统及方法，其可以为医学生、物理师、技师、护理人员等放疗操作人员提供高频的实际操作训练，同时利用虚拟现实技术把真实环境和放射治疗的过程有机结合起来，以提供一个极好的放射治疗演示培训平台，同时为体验者(如病人)提供超现实的放疗体验和治疗指导。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一方面，提供一种基于虚拟现实技术的放疗模拟训练系统，其包括：直线加速器组件；治疗床，其可通过三轴控制系统实现x/y/z三轴移动；vr眼镜组件和vr操作手柄，其用于构建虚拟放疗场景；操作端，其内置有教学培训模块和/或放疗体验模块。

优选的，所述教学培训模块包括：质检qa单元，其用于供放疗操作人员在佩戴所述vr眼镜组件后，在虚拟放疗场景中通过所述vr操作手柄模拟完成虚拟放疗设备的质检流程；模拟放疗单元，其用于供放疗操作人员在佩戴所述vr眼镜组件后，在虚拟放疗场景中通过所述vr操作手柄模拟完成放疗操作过程。

优选的，所述虚拟放疗设备包括虚拟三维水箱，所述虚拟三维水箱的质检流程包括移动三维水箱、测量水温、测量气压、插入电离室、设置剂量仪以及放线中的一项或几项。

优选的，所述模拟放疗单元包括：患者信息核对单元，其用于核对模拟病例中的患者个人信息；治疗计划单元，其用于存储与患者信息一一对应的治疗计划，并在核对患者个人信息无误后调用与该患者对应的治疗计划；模拟摆位单元，其用于控制所述治疗床的移动，使虚拟放疗场景中出现在所述治疗床上的虚拟病人到达预定放疗位置；图像验证单元，其用于将放疗前拍摄的验证片与模拟定位拍片进行匹配验证，以确定两者的吻合度；治疗单元，其用于根据所述治疗计划对虚拟病人实施模拟放线；以及评估单元，其用于在模拟放疗结束后显示操作人员在模拟放疗中的操作评估结果。

优选的，所述放疗体验模块用于供体验者在佩戴vr眼镜组件后作为被放疗对象观察和/或体验模拟放疗过程。

优选的，所述放疗体验模块包括：呼吸监测单元，其安装在体验者身体上，用于在体验者佩戴vr眼镜组件，且躺在治疗床上后捕捉体验者的呼吸运动位移信息，将所述呼吸运动位移信息显示于虚拟放疗场景中，以供体验者实时调整呼吸。

优选的，所述放疗体验模块还包括：预约单提交单元，其用于在虚拟放疗场景中提交放疗预约单，并向体验者说明放疗流程；衣物更换单元，其用于在虚拟放疗场景中播放音频和/或文字，以提醒放疗时的着装要求；放疗观察单元，其用于在虚拟放疗场景中显示具有不同形态层次靶区的病灶区域的虚拟病人模型，并通过模拟放线照射虚拟病人的病灶区域，以供体验者在虚拟放疗场景中体验和/或观察模拟放疗过程；以及结束提醒单元，其用于在虚拟放疗场景中播放治疗结束后的注意事项。

另一方面，还提供一种通过上述放疗模拟训练系统实现的放疗模拟训练方法，其包括如下步骤：

s1、在操作端上选择教学培训模块或放疗体验模块，以及佩戴所述vr眼镜组件，以获得虚拟放疗场景；

s2、选择教学培训模块后，放疗操作人员在虚拟放疗场景中通过所述vr操作手柄模拟完成虚拟放疗设备的质检流程和/或模拟放疗操作；或，选择放疗体验模块后，体验者作为被放疗对象观察和体验模拟放疗过程。

优选的，所述模拟放疗操作包括：

s21、核对模拟病例中的患者个人信息，并调用与该患者对应的治疗计划；

s22、控制所述治疗床的移动，使虚拟放疗场景中出现在所述治疗床上的虚拟病人到达预定放疗位置，以完成模拟摆位；

s23、将放疗前拍摄的验证片与模拟定位拍片进行匹配验证，以确定两者的吻合度；且根据所述治疗计划对虚拟病人实施模拟放疗。

优选的，所述模拟放疗操作包括：

s21’、在虚拟放疗场景中提交放疗预约单，并获取放疗时的着装要求；

s22’、佩戴有vr眼镜组件的体验者躺在治疗床上，并根据显示于虚拟放疗场景中的呼吸运动位移信息实时调整呼吸；

s23’、在虚拟放疗场景中显示具有不同形态层次病灶区域的虚拟病人模型，并通过模拟放线照射虚拟病人的病灶区域，以供体验者在虚拟放疗场景中观察模拟放疗过程。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本发明可为医学生、物理师、技师、护理人员等放疗操作人员提供高频的实际操作训练，无需等待放疗科室实际正在使用的放疗设备进行实际操作演练；同时利用混合现实(mr)技术虚拟放射环境，把真实环境和放射治疗的过程有机结合起来，通过吸引人的三维视图和虚拟病人的可视化效果来提供一个极好的放射治疗演示培训平台以及为体验者(如病人)提供超现实的放疗体验和治疗指导。

附图说明

图1为本发明实施例一中基于虚拟现实技术的放疗模拟训练系统的结构图；

图2为本发明实施例一中直线加速器组件的结构图；

图3为本发明实施例一中教学培训模块的结构图；

图4为本发明实施例一中软件登录界面图；

图5为本发明实施例一中模块选择界面图；

图6为本发明实施例一中质检qa选择界面图；

图7为本发明实施例一中三维水箱选择界面图；

图8为本发明实施例一中三维水箱检测时的物品选择界面图；

图9为本发明实施例一中虚拟三维水箱的示意图；

图10为本发明实施例一中虚拟放疗场景下选中三维水箱并移动的示意图；

图11为本发明实施例一中虚拟放疗场景下三维水箱检测的菜单界面图；

图12为本发明实施例一中虚拟温度计的示意图；

图13为本发明实施例一中虚拟温度计检测温度时的示意图；

图14为本发明实施例一中虚拟气压表检测压力时的示意图；

图15为本发明实施例一中虚拟电离室的示意图；

图16为本发明实施例一中虚拟电离室插入虚拟水箱时的示意图；

图17为本发明实施例一中虚拟操作室以及虚拟剂量计的示意图；

图18为本发明实施例一中虚拟剂量计录入数据的示意图；

图19为本发明实施例一中虚拟水箱放线的示意图；

图20为本发明实施例一中虚拟水箱放线前后质检数据的展示示意图；

图21为本发明实施例一中模拟放疗单元的结构示意图；

图22为本发明实施例一中病历显示单元显示模拟病例的示意图；

图23为本发明实施例一中患者信息核对单元核对患者信息的示意图；

图24为本发明实施例一中治疗计划单元调用治疗计划的示意图；

图25为本发明实施例一中模拟病人模型的示意图；

图26为本发明实施例一中模拟病人头部十字标记与激光线十字标记对齐的示意图；

图27为本发明实施例一中图像验证单元的示意图；

图28为本发明实施例一中治疗单元展示治疗计划的示意图；

图29为本发明实施例一中对模拟病人进行模拟放线的示意图；

图30为本发明实施例一中评估单元的界面图；

图31a为本发明实施例一中治疗体验模块的结构图；

图31b为本发明实施例一中呼吸监测单元的结构图；

图32为本发明实施例一中治疗体验模块的菜单界面图；

图33为本发明实施例一中预约单提交单元的界面图；

图34为本发明实施例一中衣物更换单元的界面图；

图35a为本发明实施例一中体验者的实时呼吸节律曲线图；

图35b为本发明实施例一中体验者的实时呼吸节律曲线图和标准呼吸曲线图；

图36为本发明实施例一中观察模拟放线对模拟病人病灶进行照射的示意图；

图37为本发明实施例一中模拟病人病灶区域不同靶区形态层次的示意图；

图38为本发明实施例一中结束提醒单元的界面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1-2所示，本发明中的基于虚拟现实技术的放疗模拟训练系统包括：直线加速器组件10，其具体包括治疗头1、旋转机架2和固定机架3；治疗床4，其可通过三轴控制系统实现x/y/z三轴移动，以此调整所述治疗床4的位置；vr眼镜组件6和vr操作手柄7，其用于构建虚拟放疗场景，本实施例中，所述vr眼镜组件6和vr操作手柄7均为htcvive对应产品，其产品性能、操作方式均为现有技术，在此不再赘述，且其他同类的、能构建虚拟放疗场景的vr产品均属于本申请的保护范围，在此也不做具体限定；操作端5(如pc主机等)，其连接所述vr操作手柄7，且内置有教学培训模块和/或放疗体验模块。

具体的，如图3所示，所述教学培训模块包括：质检qa单元10，其用于供放疗操作人员在佩戴所述vr眼镜组件后，在虚拟放疗场景中通过所述vr操作手柄7模拟完成虚拟放疗设备的质检流程，并显示质检数据；本实施例中，所述虚拟放疗设备包括虚拟三维水箱，所述虚拟三维水箱的质检流程包括移动三维水箱、测量水温、测量气压、插入电离室、设置剂量仪以及放线中的一项或几项，所述质检数据包括温度、气压和剂量中的一种或几种；以三维水箱检测为例，如图4所示，先在操作端5打开软件，在系统首页点击登录进入系统；如图5-7所示，依次选择“教学培训”--“质检qa”--“三维水箱检测”，点击右侧“开始检测”，开始虚拟三维水箱检测练习；如图8所示，在界面上选择需要使用的物品，点击“确定”；戴上vr眼镜组件，如图9所示，进入虚拟场景，显示虚拟三维水箱200摆放在治疗头3的下方；如图10所示，通过vr操作手柄7选中虚拟三维水箱200，再通过vr操作手柄7的触控板对虚拟三维水箱200进行x/y/z轴移动控制，使其与治疗头3下的激光标记线对齐；如图11-13所示，虚拟三维水箱200移动到位后，通过vr操作手柄6的菜单按钮调出菜单面板，选择“温度计”后出现虚拟温度计201，通过vr操作手柄6拿住温度计放置在虚拟三维水箱200中，测量放线前的水温，虚拟温度计读数(如55)并显示，虚拟然后温度计消失；如图14所示，返回菜单，选择“气压表”，待出现虚拟气压表202后读取气压值(如“压力值85.52”)并显示；如图15-16所示，返回菜单，选择“插入电离室”，待出现虚拟电离室203后，通过vr操作手柄6拿住虚拟电离室203插入到虚拟三维水箱200的插孔中；如图17-18所示，返回菜单，选择“设置剂量仪”，出现虚拟操作室的房间门以及虚拟剂量仪204，通过vr操作手柄6选中虚拟剂量仪204，并录入剂量数据；由此，操作人员可通过虚拟现实技术真切模拟对三维水箱温度、气压测量以及剂量设置等操作过程，以确保照射剂量的准确性；剂量仪设置完毕后，虚拟操作室场景消失，回到操作端5的待执行界面，如图19所示，点击相应的界面按钮开始模拟放线；放线后，再次进行温度、气压测量(操作方法同前)，并如图20所示，在操作端界面进行结果显示，便于放疗操作人员明确放疗前后的参数变化情况；

以及模拟放疗单元20，其用于供放疗操作人员在佩戴所述vr眼镜组件6后，在虚拟放疗场景中通过所述vr操作手柄7模拟完成放疗操作过程，如图21所示，所述模拟放疗单元20具体包括：病例显示单元21，其用于显示模拟病例信息；患者信息核对单元22，其用于核对模拟病例中的患者个人信息，如患者姓名、id号等；治疗计划单元23，其用于存储与患者信息一一对应的治疗计划(所述治疗计划包括放疗位置、放疗时间、放疗剂量等放疗计划项目)，并在核对患者个人信息无误后调用与该患者对应的治疗计划；模拟摆位单元24，其用于控制所述治疗床的移动，使虚拟放疗场景中出现在所述治疗床上的虚拟病人到达预定放疗位置，本实施例中，所述模拟摆位单元24可为vr控制手柄7；图像验证单元25，其用于将放疗前拍摄的验证片p1与模拟定位拍片p0进行匹配验证，以确定两者的吻合度，两者吻合度越高，即说明摆位越精确；治疗单元26，其用于根据所述治疗计划对虚拟病人实施模拟放线，且所述模拟放疗包括旋转机架调节以及放线控制；以及评估单元27，其用于在模拟放疗结束后显示操作人员在模拟放疗中的操作评估结果；以下以实例展示所述模拟放疗模块的工作流程：如图22所示，先在操作端5的病例显示单元21中选择一个病例，并显示模拟病例的预约单信息，点击“确认”进入下一步；如图23所示，在患者信息核对单元22中输入病人预约单上的id号，以核对患者个人信息，如患者姓名、id号等；如图24所示，在治疗计划单元23中选择某一患者对应的治疗计划，导入该治疗计划并核对；如图25-26所示，在操作端5上点击“模拟摆位”后，戴vr眼镜组件6进入虚拟场景，虚拟病人出现在治疗床上，使用vr控制手柄7的触控屏按钮移动治疗床，使虚拟病人的头部十字标记与激光线十字标记对齐；模拟摆位完成后，如图27所示，点击操作端5上的“图像验证”，进入图像验证单元25，通过鼠标点击放疗前拍摄的验证片p1，使用键盘↑、↓、←、→按键调整放疗前拍摄的验证片p1位置，使其与模拟定位拍片p0完全重合，以观察其与拟定位拍片p0的吻合度；点击操作端5上的“射野”进入治疗单元26，并如图28-29所示显示治疗计划，进一步按照治疗计划调整旋转机架角度并放线，放疗结束后关闭放线开关，弹出如图30所示的评估单元27的评估页面。

由此，本实施例的教学培训模块专门围绕放疗行业研发进行设计，通过虚拟现实技术把真实环境和放射治疗的过程有机结合起来，通过极具吸引力的三维视图和虚拟病人的可视化效果为医学生、物理师、技师、护理人员等操作人员提供了全面的放疗教学场景和教学工具，极大提高操作人员的放射治疗学习的效率和模拟操作的准确性，提高其操作技术水平。

此外，所述放疗体验模块用于供体验者在佩戴vr眼镜组件后作为被放疗对象观察和/或体验模拟放疗过程，所述模拟放疗过程包括预约单提交、更换衣物、模拟摆位、放线治疗中的一种或几种；如图31a所示，所述放疗体验模块包括：预约单提交单元31，其用于在虚拟放疗场景中提交放疗预约单，并通过语音和/或文字向所述体验者说明放疗流程；

衣物更换单元32，其用于在虚拟放疗场景中播放音频和/或文字，以提醒放疗时的着装要求；

呼吸监测单元33，其安装在体验者身体上，用于在体验者佩戴vr眼镜组件6，且躺在治疗床上后捕捉体验者的呼吸运动位移信息，并引导体验者实时调整呼吸；具体的，如图31b所示，本实施例中的呼吸监测单元33包括：呼吸追踪单元331(如vivetracker追踪器)，其安装在体验者身体上，用于在体验者佩戴vr眼镜组件6，且躺在治疗床上后捕捉体验者的呼吸运动位移信息；呼吸分析单元332，其连接所述呼吸追踪单元331，用于根据所述体验者的呼吸运动位移信息获取体验者的呼吸节律，并根据所述体验者的呼吸节律产生体验者的实时呼吸节律曲线s1(如图35a所示)；语音引导单元333，其用于根据所述体验者的呼吸节律播放提示语音，引导体验者进行呼吸调节，如通过产生“呼～”、“吸～”的语音指导体验者进行呼吸调整；和/或，呼吸曲线显示单元334，其用于将所述实时呼吸节律曲线s1和标准呼吸曲线s2(如图35b所示)显示于所述虚拟放疗场景中，使得体验者可根据所述实时呼吸节律曲线以及标准呼吸曲线进行呼吸调整，以使得实时呼吸节律曲线与标准呼吸曲线趋势一致，实现更为精准的调节自身呼吸节奏；因为实际放疗过程中，若患者呼吸运动(如呼吸间隔、呼吸幅度)的不规律会导致胸腔/腹腔无规律的扩张/收缩，进一步引起肿瘤位置的无规律变化，但放射治疗条件参数(如放疗时间、放疗剂量)不可能根据肿瘤位置的无规律变化实时进行调整，因此导致对于肿瘤的放疗效果不佳，因此，通过上述呼吸监测单元，体验者可在实际放疗前模拟练习对于自身呼吸的控制，使得呼吸变得有规律，由此充分保证放疗效果；

放疗观察单元34，其用于在虚拟放疗场景中显示具有不同形态层次靶区的病灶区域的虚拟病人模型，并通过模拟放线照射虚拟病人的病灶区域，以供体验者在虚拟放疗场景中体验和/或观察模拟放疗过程，减轻或消除对放疗的恐惧心理；以及结束提醒单元35，其用于在虚拟放疗场景中播放治疗结束后的注意事项。

以下通过实例展示放疗体验模块的工作流程：如图5，32所示，依次点击“放疗体验”--“放疗mr体验”进入放疗体验模块；如图33所示，点击“提交预约单”进入预约单提交单元31，在虚拟放疗场景中完成虚拟预约单提交；如图34所示，点击“更换衣物”进入衣物更换单元32，在虚拟放疗场景中播放音频和/或文字，以提醒放疗时的着装要求；如图35a-35b所示，点击“模拟摆位”，呼吸监测单元33将实时呼吸节律曲线显示于虚拟放疗场景中，体验者可根据语音引导单元333和/或呼吸曲线显示单元334的提示语音和/或呼吸曲线实时调整呼吸；如图36-37所示，点击“治疗过程”进入放疗观察单元34，虚拟放疗场景中，模拟病人模型出现在治疗床上，且所述模拟病人模型中显示有不同的靶区形态层次，实施模拟放线后体验者即可可观察射线照射虚拟病人模型的过程；如图38所示，点击“治疗结束”进入结束提醒单元35，在虚拟放疗场景中播放治疗结束后的注意事项。

由此，可通过所述放疗体验模块为体验者(如病人)提供超现实的放疗体验和治疗指导，消除实际放疗前的紧张感，尤其是可通过呼吸监测单元进行呼吸控制练习，以达到最佳的放疗效果。

实施例二：

本实施例提供了一种通过实施例一所述放疗模拟训练系统实现的放疗模拟训练方法，其包括如下步骤：

s1、在所述操作端上选择教学培训模块或放疗体验模块，以及佩戴所述vr眼镜组件，以获得虚拟放疗场景；

s2、选择教学培训模块后，放疗操作人员在虚拟放疗场景中通过所述vr操作手柄模拟完成虚拟放疗设备的质检流程和/或模拟放疗操作；或，选择放疗体验模块后，体验者作为被放疗对象观察和体验模拟放疗过程。

具体的，所述模拟放疗操作包括：

s21、核对模拟病例中的患者个人信息，并调用与该患者对应的治疗计划；

s22、控制所述治疗床的移动，使虚拟放疗场景中出现在所述治疗床上的虚拟病人到达预定放疗位置，以完成模拟摆位；

s23、将目标影像图片与标准影像图片进行匹配验证，以确定两者的吻合度；且根据根据所述治疗计划对虚拟病人实施模拟放疗。

所述观察和体验模拟放疗过程的步骤包括：

s21’、在虚拟放疗场景中提交放疗预约单，并获取放疗时的着装要求；

s22’、佩戴有vr眼镜组件的体验者躺在治疗床上，并根据显示于虚拟放疗场景中的呼吸运动位移信息实时调整呼吸；

s23’、在虚拟放疗场景中显示具有不同形态层次病灶区域的虚拟病人模型，并通过模拟放线照射虚拟病人的病灶区域，以供体验者在虚拟放疗场景中观察模拟放疗过程。

综上所述，本发明专门围绕放疗行业研发进行设计，通过虚拟现实技术把真实环境和放射治疗的过程有机结合起来，通过极具吸引力的三维视图和虚拟病人的可视化效果为医学生、物理师、技师、护理人员等放疗操作人员提供了全面的放疗教学场景和教学工具，极大提高操作人员的放射治疗学习的效率和模拟操作的准确性，提高其操作技术水平；同时为体验者(如病人)提供超现实的放疗体验和治疗指导，消除实际放疗前的紧张感，尤其是可通过呼吸监测单元进行呼吸控制练习，以达到最佳的放疗效果。

需要说明的是，上述实施例一至二中的技术特征可进行任意组合，且组合而成的技术方案均属于本发明的保护范围。在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。