一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统及其训练方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统及其训练方法，属于计算机应用技术中的虚拟现实技术领域。
【背景技术】
[0002]目前的类似于肿瘤软组织切割大多只能依靠术者经验和解剖知识判断肿瘤切除程度。统计表明，约有20%病例术后存在病灶残留或由于损伤了正常神经结构而引起偏瘫、失语等并发症。同时受训医生的培训过程也十分漫长，成本很高，在学习过程中普遍存在着风险大、成长周期长、实施困难等问题。因此目前迫切需要一种有效的虚拟手术模拟训练系统，以避免在病人身上训练高难度的手术，同时尽量缩短受训医生的学习曲线和成本，促进手术软组织切割技术的普及和提高。
[0003]有鉴于此，本发明人对此进行研宄，专门开发出一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统及其训练方法，本案由此产生。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统及其训练方法，避免在病人身上训练高难度的手术，缩短受训医生的学习曲线和训练成本，促进手术软组织切割技术的普及和提高。
[0005]为了实现上述目的，本发明的解决方案是:
一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统，包括I个主节点和多个与主节点同步通讯连接的子节点，其中，所述主节点包括:
主力触觉交互装置:用于控制主节点中虚拟手术器械的位置和切割方向，并获取主软组织削切仿真模块在削切过程中计算得到的反馈力；
主软组织削切仿真模块:通过软组织的网格变形来实现软组织削切模拟，并计算得到削切过程中的反馈力，将主真实感实时绘制模块的帧缓存数据连同主力触觉交互装置的力触觉参数和反馈力发送给子软组织削切仿真模块；
主真实感实时绘制模块:实时地对虚拟手术场景进行渲染，增强虚拟手术的沉浸感。
[0006]所述子节点包括:
子力触觉交互装置:获取由子软组织削切模块发送来的力触觉参数，包括位置和反馈力的数值，来引导受训医生进行手术体验；
子软组织削切仿真模块:接收到主软组织削切仿真模块发送的主真实感实时绘制模块的帧缓存数据和主力触觉交互装置的力触觉参数后，一方面将帧缓存数据通过子真实感实时绘制模块进行实时显示，另一方面将主力触觉交互装置的力触觉参数发送给子力触觉交互装置；
子真实感实时绘制模块:根据主真实感实时绘制模块的帧缓存数据绘制当前场景，增强虚拟手术的沉浸感。
[0007]上述面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统的训练方法，包括如下步骤:
1)初始化虚拟手术模拟训练系统的主节点和各个子节点，并同步各个子节点与主节点的数据；
2)培训医生通过主力触觉交互装置控制软组织削切仿真模块中的虚拟手术器械动作，虚拟手术器械作用在软组织模型上，实现虚拟手术操作，主真实感实时绘制模块实时显示整个虚拟手术操作过程，主软组织削切仿真模块同时将虚拟手术操作过程中的当前画面(帧缓存数据)以及主力触觉交互装置的当前力触觉参数以阻塞式套接字的方式传递给各个子节点的子软组织削切仿真模块；
3)各个子节点的子软组织削切仿真模块接收到主软组织削切仿真模块发送的当前主真实感实时绘制模块帧缓存数据和主力触觉交互装置的力触觉参数后，一方面将帧缓存数据通过子真实感实时绘制模块进行实时显示，另一方面将主力触觉交互装置的力触觉参数发送给子力触觉交互装置，使子力触觉交互装置根据接收到的参数自动实现手术动作，受训医生根据子力触觉交互装置的动作自动模拟虚拟手术机械在软组织模型的手术过程，实现培训的目的。
[0008]作为优选，各个子节点与主节点的软组织模型数据同步使用Rsync算法，采用差分传输的方式实现。
[0009]作为优选，所述软组织模型通过四面体数据和表面三角网格实现。
[0010]作为优选，步骤2)所述的视点参数包括当前视点位置和视线的方向向量；力触觉参数包括虚拟手术器械的位置向量，旋转角度，主力触觉交互设备各个节点的自由度，力度值等。
[0011]本发明所述的面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统及其训练方法，通过主力触觉交互装置、主软组织削切仿真模块和主真实感实时绘制模块记录主节点上培训的虚拟手术操作过程，实时地将医师的手术操作映射到各个子节点中，通过子节点上的子力触觉交互装置让受培训医生感受到手术过程。同时采用一种模型的差分编码算法，使各个子节点能够快速的得到三维手术模型。避免在病人身上训练高难度的手术，缩短受训医生的学习曲线和训练成本，促进手术软组织切割技术的普及和提高。
[0012]以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。
【附图说明】
[0013]图1为本实施例的面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统结构示意图；
图2为本实施例的基于四面体的最小分裂示意图。
【具体实施方式】
[0014]一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统，包括I个主节点I和多个与主节点同步通讯连接的子节点2，其中，所述主节点I包括:
主力触觉交互装置11:用于控制主节点I中虚拟手术器械的位置和切割方向，并获取主软组织削切仿真模块12在削切过程中计算得到的反馈力；
主软组织削切仿真模块12:通过软组织的网格变形来实现软组织削切模拟，并计算得到削切过程中的反馈力，将主真实感实时绘制模块13的帧缓存数据连同主力触觉交互装置11的力触觉参数和反馈力发送给子软组织削切仿真模块22 ;
主真实感实时绘制模块13:实时地对虚拟手术场景进行渲染，增强虚拟手术的沉浸感。
[0015]所述子节点2包括:
子力触觉交互装置21:获取由子软组织削切模块22发送来的力触觉参数，包括位置和反馈力的数值，来引导受训医生进行手术体验；
子软组织削切仿真模块22:接收到主软组织削切仿真模块12发送的主真实感实时绘制模块13的帧缓存数据和主力触觉交互装置11的力触觉参数后，一方面将帧缓存数据通过子真实感实时绘制模块23进行实时显示，另一方面将主力触觉交互装置11的力触觉参数发送给子力触觉交互装置21 ;
子真实感实时绘制模块23:根据主真实感实时绘制模块13的帧缓存数据绘制当前场景，增强虚拟手术的沉浸感。
[0016]本实施例的主节点I中的主软组织削切仿真模块12和主真实感实时绘制模块13通过一台具有Core i7 2.67GHz的(PU、8GB内存、Nvidia GeForce GTX560显示芯片、操作系统为Windows 7的计算机实现，子节点2中的子软组织削切仿真模块22和子真实感实时绘制模块 23 通过一台具有 Core i5 3.20GHz 的 CPU、24GB 内存、Nvidia GeForce GTX570显示芯片、操作系统为Windows 7的计算机实现，主力触觉交互装置11和子力触觉交互装置21采用Phantom Omni力触觉设备。主节点I与子节点2间通过百兆带宽的局域网连接通信。