基于虚拟仿真的颈动脉造影与腔内治疗训练系统及方法

本申请涉及一种基于虚拟仿真的颈动脉造影与腔内治疗训练系统及方法，属于医疗仿真。

背景技术：

1、随着手术要求不断提高，外科手术面临诸多问题，低年资外科医师独立完成复杂手术的机会越来越少，传统师徒式训练的学习效果逐渐难以满足手术要求。并且随着医学院等招生数目的扩大，尸体资源的匮乏、不能重复使用且成本高等问题导致外科手术训练得不到保障。因此如何更好地培训外科医师掌握复杂手术技巧，缩减培养周期是目前外科医师培训中的难题。

2、血管介入手术是近10年来逐渐兴起的能够治愈心脑血管疾病的快速有效的治疗方法，即在患者病灶处开一个小口，通过穿刺，将导管、导丝等插到病变部位，进行切除、注射、消融或检测等精细的手术操作。与传统手术方法相比这种治疗方法具有微创、术后恢复时间短、并发症少等优点，因此在临床上得到迅速发展和广泛应用。但是，血管介入手术具有极高的危险性和复杂性，需要手术操作者拥有丰富的介入手术经验。另外，为保证手术的安全性，手术过程中操作者对通过手术器材获得的触觉信息的判断需要有足够的经验和技巧。就现今的社会情况来看，相较日益增多的心脑血管疾病患者数量，能够进行血管介入手术的医生严重不足，因此需要培训出更多优秀的血管介入手术医生。

3、现状：1.因尸体、场地等资源限制，外科手术训练周期长、效率低、成本高等问题；2.医疗设备昂贵，操作不当，损失较大；3.医师个人习惯经常忽略手术操作规范；4.设备辐射、药剂腐蚀等会对人体造成危害。

技术实现思路

1、本申请要解决的技术问题是如何方便外科医生进行更有效的颈动脉造影与腔内治疗训练。

2、为了解决上述技术问题，本申请的技术方案是提供了一种基于虚拟仿真的颈动脉造影与腔内治疗训练系统，包括计算单元、视景模块、音频模块、交互模块、本地资源；计算单元存储本地资源和提供仿真算力，交互模块包括vr头显和vr手柄，视景模块、音频模块集成设于vr头显；计算单元实时获取头显的位置信息和空间姿态，将相应的视景、音效发送至vr头显展示虚拟场景，手柄将受训人员操纵反映至虚拟场景中；虚拟场景设有依据颈动脉造影与腔内治疗标准操作步骤进行的任务，通过线性任务设置，受训人员在训练中按照手术步骤进行操作依次完成各项任务。

3、优选的，所述头显上设有摄像头，头显通过获取周边环境信息采用slam算法进行定位；所述手柄通过头显摄像机获取相对头显的位置进行定位。

4、优选的，所述虚拟场景内设有手部模型，所述手部模型设有展开、捏取、抓握三种手势状态，手部模型与手柄绑定进行场景追踪，通过手柄按键控制手势展开、捏取、抓握三种状态；不同的手势状态控制不同的操作对象交互。

5、优选的，所述虚拟场景内的交互对象设有三种，第一种为在虚拟场景内自由移动的模型；第二种为与虚拟场景有连接点，连接整体场景进行有限移动的模型；第三种为在虚拟场景位置固定，无法移动的模型；受训人员进行手势交互时，由拇指模型进行碰撞检测预操作对象，通过抓握手势选定第一种模型，并绑定手部进行自由移动；通过捏取手势选定第二种模型，并绑定手部动作进行局部移动；当手部拇指或受控的第一种模型与第三种模型发生碰撞时，触发相应的事件。

6、优选的，所述虚拟场景内设有多个场景事件，当受训人员在场景内通过交互触发时，交互触发具有方向指示性，根据触发的角度及持续时间虚拟场景内进行相应事件的播放。

7、优选的，所述受训人员在训练过程中，系统进行操作评价时，通过文字弹窗提示操作任务，并记录时间戳，当受训人员进行错误交互动作，记录错误操作，当训练人员完成操作时，记录时间戳，通过错误次数及时间戳统计数据，与标准数据值进行对比，进行受训者操作熟练度和规范性评价。

8、受训人员采用上述的训练系统，即可执行颈动脉造影与腔内治疗训练。通过沉浸式虚拟场景营造手术室场景环境，通过音频和提示性文字指示训练任务；通过虚拟手势进行场景交互。对于受训人员，相对于传统训练方式，优点包括：

9、1.摆脱手术资源限制，通过虚拟化手段，允许受训人员反复训练；

10、2.数据资源便于复制，便于大范围推广传播；

11、3.手术场景可设置多种手术场景和事件，便于训练内容和场景拓展。

技术特征：

1.一种基于虚拟仿真的颈动脉造影与腔内治疗训练系统，其特征在于，包括计算单元、视景模块、音频模块、交互模块、本地资源；计算单元存储本地资源和提供仿真算力，交互模块包括vr头显和vr手柄，视景模块、音频模块集成设于vr头显；计算单元实时获取头显的位置信息和空间姿态，将相应的视景、音效发送至vr头显展示虚拟场景，手柄将受训人员操纵反映至虚拟场景中；虚拟场景设有依据颈动脉造影与腔内治疗标准操作步骤进行的任务，通过线性任务设置，受训人员在训练中按照手术步骤进行操作依次完成各项任务。

2.如权利要求1所述的一种基于虚拟仿真的颈动脉造影与腔内治疗训练系统，其特征在于，所述头显上设有摄像头，头显通过获取周边环境信息采用slam算法进行定位；所述手柄通过头显摄像机获取相对头显的位置进行定位。

3.如权利要求1所述的一种基于虚拟仿真的颈动脉造影与腔内治疗训练系统，其特征在于，所述虚拟场景内设有手部模型，所述手部模型设有展开、捏取、抓握三种手势状态，手部模型与手柄绑定进行场景追踪，通过手柄按键控制手势展开、捏取、抓握三种状态；不同的手势状态控制不同的操作对象交互。

4.如权利要求2所述的一种基于虚拟仿真的颈动脉造影与腔内治疗训练系统，其特征在于，所述虚拟场景内的交互对象设有三种，第一种为在虚拟场景内自由移动的模型；第二种为与虚拟场景有连接点，连接整体场景进行有限移动的模型；第三种为在虚拟场景位置固定，无法移动的模型；受训人员进行手势交互时，由拇指模型进行碰撞检测预操作对象，通过抓握手势选定第一种模型，并绑定手部进行自由移动；通过捏取手势选定第二种模型，并绑定手部动作进行局部移动；当手部拇指或受控的第一种模型与第三种模型发生碰撞时，触发相应的事件。

5.如权利要求4所述的一种基于虚拟仿真的颈动脉造影与腔内治疗训练系统，其特征在于，所述虚拟场景内设有多个场景事件，当受训人员在场景内通过交互触发时，交互触发具有方向指示性，根据触发的角度及持续时间虚拟场景内进行相应事件的播放。

6.如权利要求1所述的一种基于虚拟仿真的颈动脉造影与腔内治疗训练系统，其特征在于，所述受训人员在训练过程中，系统进行操作评价时，通过文字弹窗提示操作任务，并记录时间戳，当受训人员进行错误交互动作，记录错误操作，当训练人员完成操作时，记录时间戳，通过错误次数及时间戳统计数据，与标准数据值进行对比，进行受训者操作熟练度和规范性评价。

7.一种基于虚拟仿真的颈动脉造影与腔内治疗训练方法，其特征在于，受训人员采用权利要求1-6任一项所述的训练系统，执行颈动脉造影与腔内治疗训练。

技术总结
本申请公开了一种基于虚拟仿真的颈动脉造影与腔内治疗训练系统及方法，包括计算单元、视景模块、音频模块、交互模块、本地资源；计算单元存储本地资源和提供仿真算力，交互模块包括VR头显和VR手柄，视景模块、音频模块集成设于VR头显；计算单元实时获取头显的位置信息和空间姿态，将相应的视景、音效发送至VR头显展示虚拟场景，手柄将受训人员操纵反映至虚拟场景中；虚拟场景设有依据颈动脉造影与腔内治疗标准操作步骤进行的任务，通过线性任务设置，受训人员在训练中按照手术步骤进行操作依次完成各项任务，即可实现颈动脉造影与腔内治疗训练。

技术研发人员：钱琨,王利新,王治勋,胡译心,耿妍,原野,张宇翀,李晨希,陆佳佳,符伟国,顾建英
受保护的技术使用者：复旦大学附属中山医院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15