白内障超声乳化虚拟手术训练系统的制作方法

1.本发明涉及虚拟手术训练技术领域，尤其涉及白内障超声乳化虚拟手术训练系统。


背景技术：

2.白内障是一种常见的眼科疾病，也是全球第一致盲眼病。随着我国防盲治盲工作的积极开展和眼科服务能力的提高，我国白内障手术实施例数保持持续增长趋势，eyesi的白内障手术训练模块分为入门，初学者，中级和高级课程，phacovision主要训练学员在白内障手术中的撕囊和超声乳化术操作技能，该模拟器可以设置眼睛模型的属性以创建具有各种难度的虚拟患者案例，该模拟器会在训练全程记录学员的训练数据，并在手术后显示评估结果。
3.现有技术中，eyesi和phacovision无法提供手术过程中的力觉反馈，导致手术过程中触觉上的不真实感，降低模拟训练的沉浸感，microvistouch装有力反馈设备，能够提供手术中的力觉效果，但是microvistouch专注于白内障手术中的撕囊术训练，未配备超声乳化模拟设备，因此无法模拟白内障超声乳化术的全过程，此外，microvistouch的手术工具并未进行改造，学员需握持力反馈装置自带的操作手柄进行手术模拟训练的操作，在操作手感上与真实手术器械有一定差异，与micovistouch相同，helpmesee因其训练科目为手法小切口白内障手术，因此也未安装超声乳化模拟设备，无法对白内障超声乳化术进行模拟。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的白内障超声乳化虚拟手术训练系统，根据国人的生物特性进行高逼真的眼球建模，根据眼球软组织多个层次不同的生物力学特性，考虑不同组成部分的弹性系数、阻尼系数和软组织的质量和密度等因素，建立与真实眼球更为接近的生物材料本构方程，并且对眼球的损伤也进行建模，包括力学因素导致的机械性损伤以及激光伤、热烧伤等非机械性损伤，逼真地再现手术过程；
5.添加力反馈装置，并使用基于弹簧质量模型的力反馈算法对手术中产生的应力进行非线性建模并经过实时计算反馈到力反馈装置上，使学员在手术训练中感受到逼真触感。在力反馈装置上搭载与现实手术器械握持手感相似的操作手柄，通过操作手柄上的开关实现术中多种手术器械的切换，给学员在手术操作中提供逼真的手感，并且方便使用；
6.使用unity3d软件平台构建手术场景和生物组织，并连接虚拟现实设备、人机交互设备以及力反馈设备，搭建具有高沉浸感的手术训练平台，并设计多种手术科目，对白内障超声乳化手术的全过程进行综合性的训练，解决部分手术模拟器科目单一的问题。
7.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
8.白内障超声乳化虚拟手术训练系统，包括硬件系统与软件系统，所述硬件系统包括眼科手术模拟显微目镜、带有仿真眼球的操作平台、眼科手术操作手柄、力反馈设备、脚
踏目镜放大倍数和调焦控制器及超声乳化装置控制器、目镜支架、计算机、显示器，所述软件系统包括柔性眼球建模模块、人机交互接口、人机交互界面、软组织碰撞检测模块、软组织变形与切割实时计算模块、力反馈模块、虚实配准及定位模块、训练指导和评估模块、数据存储与传输模块。
9.优选地，所述显示器用于对人机交互界面进行课程和患者模型的选择，模拟手术开始后，控制计算机会根据不同的手术情况和课程需求进行虚拟手术场景的建立，并将虚拟手术场景在显微目镜中进行显示。
10.优选地，所述柔性建模模块用于根据学员的课程要求，使用操作手柄对仿真眼球进行操作，根据手术工具与仿真眼球的交互在虚拟场景中实时的计算并显示眼球的形变、损伤或者穿刺状态，并在力反馈装置上依据真实眼球的生物力学通过弹簧质量模型来模拟反馈手术中的碰撞、变形或切割产生的力，声音系统可模拟手术中手术器材以及患者发出的声音。
11.优选地，所述数据存储模块用于将学员的操作数据以及一部分生物特性记录下来，以作为对学员操作水平的评判依据，模拟手术结束后，系统会对学员的表现做出评价和提出改进意见。
12.优选地，所述力反馈装置安装有用于操作手术器械的操作手柄，且所述操作手柄通过脚踏控制器切换手术器械。
13.优选地，所述力反馈装置通过unity3d软件平台连接有虚拟现实设备与人机交互设备，所述unity3d软件平台用于构建手术场景和生物组织。
14.本发明与现有技术相比，其有益效果为：
15.1、通过设置生物柔性组织建模技术，实现对眼球进行高逼真度的生物特性建模，并且对软组织的碰撞、变形和切割进行实时仿真，以增加虚拟手术场景的高逼真度和沉浸感。
16.2、通过设置高精度的力反馈设备，使用质量弹簧模型对手术中受到的力感进行精确的非线性建模，来逼真还原手术中的触感，并且使用力反馈设备来进行定位，提高手术操作中的定位精确性。
17.3、通过使用与现实手术极为相似的操作工具和脚踏触控板，采用实时的人机交互系统和声音系统，增强学员在手术中的真实感，使学员能更加身临其境的进行手术操作训练，快速提高操作技能。
18.4、通过设置丰富的手术训练课程，包括撕囊、劈核、超声乳化以及晶体植入，对白内障超声乳化手术全过程进行综合性和有针对性的训练，满足学员各方面的训练需求。
19.5、通过提供完善的评估机制，可记录学员在操作中的数据并给出系统性的评价。
附图说明
20.图1为本发明提出的白内障超声乳化虚拟手术训练系统的力反馈操作系统硬件结构连接关系图；
21.图2为本发明提出的白内障超声乳化虚拟手术训练系统的硬件系统结构示意图；
22.图3为本发明提出的白内障超声乳化虚拟手术训练系统的系统框图；
23.图4为本发明提出的白内障超声乳化虚拟手术训练系统的unity3d软件平台的系
统框图。
具体实施方式
24.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
25.参照图1-4，白内障超声乳化虚拟手术训练系统，包括硬件系统与软件系统，硬件系统包括眼科手术模拟显微目镜、带有仿真眼球的操作平台、眼科手术操作手柄、力反馈设备、脚踏目镜放大倍数和调焦控制器及超声乳化装置控制器、目镜支架、计算机、显示器，软件系统包括柔性眼球建模模块、人机交互接口、人机交互界面、软组织碰撞检测模块、软组织变形与切割实时计算模块、力反馈模块、虚实配准及定位模块、训练指导和评估模块、数据存储与传输模块。
26.显示器用于对人机交互界面进行课程和患者模型的选择，模拟手术开始后，控制计算机会根据不同的手术情况和课程需求进行虚拟手术场景的建立，并将虚拟手术场景在显微目镜中进行显示。
27.柔性建模模块用于根据学员的课程要求，在学员使用操作手柄对仿真眼球进行操作时，根据手术工具与仿真眼球的交互在虚拟场景中实时的计算并显示眼球的形变、损伤或者穿刺状态，并在力反馈装置上依据真实眼球的生物力学通过弹簧质量模型来模拟反馈手术中的碰撞、变形或切割产生的力，声音系统可模拟手术中手术器材以及患者发出的声音。
28.数据存储模块用于将学员的操作数据以及一部分生物特性记录下来，以作为对学员操作水平的评判依据。模拟手术结束后，系统会对学员的表现做出评价和提出改进意见。
29.本发明中所提出的白内障超声乳化虚拟手术训练系统，具体通过以下使用方法实现：
30.学员使用人机交互界面选择训练课程以及难度，计算机根据学员的设置生成手术场景；
31.学员坐于指定位置，观察模拟显微目镜中模拟眼球建模的虚拟图像，使用脚踏控制板对目镜的放大倍数以及焦距进行调节。
32.学员选择适当的手术工具对操作平台上的仿真眼球进行操作，人机交互模块和虚实配准及定位模块可以获取手术操作手柄的位置和方向，并将操作手柄对应的虚拟手术工具显示在模拟显微目镜当中，使学员在手术视野当中看到逼真的手术操作场景，学员可以通过操作手柄上的开关切换不同的手术工具进行撕囊、超声乳化、劈核、灌注和抽吸等操作，与真实手术中的操作基本一致。
33.在手术过程中，碰撞检测模块采用基于可碰撞集的软组织碰撞检测方法对手术工具与软组织间的交互进行实时的碰撞检测计算，软组织变形与切割实时计算模块使用弹簧质量系统对软组织的形变和切割进行仿真，在虚拟手术场景中实时模拟眼球形变、切割、流血等一系列手术过程中可能产生的现象。
34.在手术过程中，力反馈系统根据学员的操作和手术场景中眼球形变与切割的程度
实时计算手术工具受到的力的变化，并及时反馈到力反馈装置上，驱动力反馈装置的电机对手上受到的力进行模拟，使学员感受到在真实手术操作中感受到的力的变化。
35.在进行超声乳化模块的训练时，学员使用操作手柄切换到模拟的超声乳化工具，再使用脚踏控制板进行超声乳化操作。
36.手术训练结束后，计算机会根据手术过程中收集到的数据对学员各项技能进行打分，给出评级并提出改进意见。
37.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。