一种沉浸式自适应位姿虚拟手术训练平台的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种基于计算机的虚拟现实技术的虚拟手术训练设备
【背景技术】
[0002]基于计算机仿真的虚拟现实技术，利用计算机重构生成某种或某类现实中的二维或三维虚拟场景，用户可通过相应设备与虚拟场景中的各类物体进行交互，从而体验到与现实中一样逼真的听觉、视觉、嗅觉、力觉等多感知。
[0003]传统的外科医生的培养方式采用“传、帮、带”的学徒模式。这种方法存在周期长、成本高、效率低、尸体源匮乏等问题。即使现在医学试验中经常使用的动物作为外科医生手术训练对象，也存在道德层面的问题，而且动物的组织结构必然与人类有所差别。
[0004]为了解决外科医生的培训中存在的这些难题，研究开发以虚拟现实技术为基础的虚拟外科手术仿真训练系统成为目前医学领域的一个热点和前沿课题。由加拿大国家研究理事会(Nat1nal Research Council，NRC)牵头，联合了多个研究小组和知名医院，花费了910万美元，50多名包括专家学者、临床医生、工程师，跨度三年共同研制的脑外科手术模拟器原型机NeuroTouch是目前世界上最先进的脑外科虚拟手术训练系统。首先，利用患者的功能性核磁共振(funct1nal magnetic resonance imaging，fMRI)影像数据重构一个高分辨率的3D人体脑组织模型，这个模型是基于有限元网格的。然后，读取该有限元模型并渲染现实，接着，用户通过操作一个类似手术刀的力反馈设备(采用的是Sensable公司的Phantom OMNI)与虚拟模型进行交互，这个装置有6个自由度，能够实时反馈设备与脑组织不同部位或者不同操作后产生的力。同时，用户可以通过屏幕观察力反馈设备与虚拟模型的交互结果，包括组织形变、灰质出血和搏动。NeuroTouch的特点在于其模拟仿真软组织的形变、切割、流血等生理现象很逼真，但是该系统的3D显示效果主要通过3个固定的显示屏，无法根据不同人体的需求进行调整，沉浸感和舒适度都无法得到满足。
[0005]在现有技术中，专利ZL200910242042.5公开了一种虚拟现实牙科手术触感训练支撑平台，但是这种装置是针对人体牙齿组织设计，牙齿属于刚性物质，对其建模和交互过程中的数据处理都比人体脑组织(软组织)更为简单。而且该系统智能模拟牙科手术的仿真，可扩展性不强。专利ZL201010173563.2公开了一种支持力触觉反馈的虚拟柔性体变形手术仿真系统，该发明利用等节距圆锥形螺旋弹簧力触觉建模方法，将每层等节距圆锥形螺旋弹簧变形量之和的叠加来模拟柔性体表面的变形。这种方法不是真正意义上的物理模型，没有反映软组织生理特征的材料参数，而且不是三维立体显示，仿真效果不够逼真。ZL201110150678.4公开了一种基于力反馈的机器人微创手术仿真系统，该发明主要针对微创手术设计，其中的图形处理模块可将影像数据转换为三维体数据并通过三维显示设备展现出来。但是，该系统没有设计专门的虚拟手术操作平台，操作者容易受到周围环境声音、光线、人及其他事物的干扰，沉浸感不强。因此，为了解决传统外科医生手术训练问题，打破国外在该领域的垄断地位，发明一种具有逼真的虚拟手术仿真沉浸感且能够提高手术训练者舒适性的自适应位姿的虚拟外科手术训练平台是一个重要、迫切的问题。
【发明内容】
[0006]针对传统外科手术医生训练中存在的训练周期长、成本高、效率低、训练对象匮乏和违背伦理道德等问题，本发明公开了一种沉浸式自适应位姿虚拟手术训练平台，该平台为见习外科手术医生或医学院学生等训练者提供一个进行虚拟现实手术操作的训练平台。
[0007]该平台由上端显示台、中端控制台、下端支撑台和侧面支撑板组件等四部分组成。上端显示台主要包括两台3D显示器、3D眼镜组件、以及上、下、前、后、左、右六块盖板;其中，放置于内部的3D显示器供训练者使用，外部3D显示器供其他人观看以对训练者训练过程进行评价;3D眼镜组件将3D眼镜镜片夹在中间并固定;上、下、前、后、左、右六块盖板组成了一个密闭空间，防止训练者收到光线、声音、脑部转动等因素的干扰，增强训练者的沉浸感。
[0008]中端控制台上集成了虚拟手术训练过程中需要进行的必要控制按钮，包括电源的开关、系统的开关、上端显示组件的转动控制等；中间放置的10寸触摸液晶显示屏则用于手术过程中软件系统的控制操作，包括手术器械的变换、虚拟手术软件系统的启动和关闭、观察视角的调整等等。
[0009]下端支撑台主要用于放置虚拟手术系统所需的图形工作站，安装脚踏板等。
[0010]侧面支撑板组件则用于连接和支撑上端显示组件、中端控制台组件、下端支撑组件。训练者通过力反馈设备在平台上与虚拟世界中重构的软组织进行触碰、抽吸、切割等手术操作。同时，力反馈设备将根据训练者不同的手术操作类型和操作力度给训练者反馈真实的触觉，让用户仿佛在进行真实手术一般。平台为训练者提供了一个沉浸感强、操作舒适方便的手术训练环境。
[0011 ] 一种沉浸式自适应位姿虚拟手术训练平台，其特征在于:
[0012]本发明所述的虚拟手术训练平台由上端显示台(I)、中端控制台(2)、下端支撑台
(3)和侧面支撑板组件(4)等四个部分组成；
[0013I 所述的上端显示台(I)包括上端左盖板(IlB)、上端右盖板(IlA)、上端上盖板(121)、上端下盖板(124)、上端后盖板(122)、上端前盖板(17)、两台3D显示器(16A、16B)、外部3D显示器安装装置(13)、内部3D显示器安装装置(14)、3D镜片安装组件(15)、电动旋转组件(18);
[0014]上端左盖板(IlB)、上端右盖板(IlA)、上端上盖板(I21)、上端下盖板(I24)、上端后盖板(122)和上端前盖板(17)组成一个密闭空间，训练者通过3D镜片组件(15)可观察置于内部3D显示器安装装置(14)上3D显示器(16A)显示的虚拟手术场景；
[0015]上端左盖板(IlB)和上端右盖板(IlA)结构相同；上端左盖板(IlB)上有一个转动组件左通孔(114B)，用于安装由左转动轴(IllB)、左位置固定螺孔(112B)和左转动垫片(113B)组成的左转动组件;上端右盖板(IlA)中心位置上有转动组件右通孔(114A)，用于安装右转动轴(111A)、右位置固定螺孔(112A)和右转动垫片(113A)组成的右转动组件;其中，左转动轴(IllB)与右转动轴(IllA)结构相同；左位置固定螺孔(112B)与右位置固定螺孔(112A)结构相同；左转动垫片(113B)与右转动垫片(113A)结构相同；
[0016]外部3D显示器安装装置(13)由底部横向支撑梁(137)、横向固定件(135)、纵向支撑梁(134)、纵向固定件(133)、带卡槽的显示器连接件(136)、结构相同的左旋紧螺丝(131B)与右旋紧螺丝(131A)、结构相同的左位置固定垫片一(132B)与右位置固定垫片一(132A);带卡槽的显示器连接件(136)可在纵向固定件(133)上下10度范围内转动，这样外部3D显示器安装装置(13)可上下调节位置，方便观察者观看外部3D显示器(16A)上显示的内容；
[0017]内部3D显示器安装装置(14)与内部3D显示器固定金属块(125)相配合固定在内部支撑梁(123)上；内部3D显示器安装装置(14)由底部横向支撑梁(144)、带卡槽的显示器连接件(143)、结构相同的左锁紧螺丝(141B)与右锁紧螺丝(141A)、结构相同的左位置固定垫片二(142B)与右位置固定垫片二(142A)组成，不可转动；
[0018]两组3D镜片安装装置(15)由结构相同的左前部镜片固定框(151B)与右前部固定框(151A)、结构相同的左眼3D镜片(152B)与右眼3D镜片(152A)、结构相同的左后部镜片固定框(153B)与右后部镜片固定框(153A)组成;将左眼3D镜片(152B)安装在左前部镜片固定框(151B)与左后部镜片固定框(153B)中间，一起固定安装在3D镜片安装左通孔(174B)上；将右眼3D镜片(152A)安装在右前部镜片固定框(151A)与右后部镜片固定框(153A)中间，一起固定安装在3D镜片安装右通孔(174A)上；
[0019]上端显示台(I)的上端前盖板(17)依据人机工程学设计，符合人脸生理结构，训练者进行训练时可将整个脸部完全伸入中心观察区域(172)，左侧挡板(171B)和右侧挡板(171A)则根据人体左右侧脸结构设计，可将人耳完全包裹住，前部仿人体鼻梁装置(173)则仿造人体鼻梁设计，并且向内凹陷，给训练者留有空间呼吸，防止训练过程中呼吸不畅；因此，训练者在虚拟手术训练时可将整个头部完全深入到平台中，不受周围光线、声音等干扰源影响，增强了虚拟仿真的沉浸感;同时，头部被平台包裹后不容易受其他事物影响而左右摆动，这样可更加投入虚拟仿真训练中，进一步增强了沉浸感；
[0020]电动旋转组件(18)安装在上端右盖板(IIA)侧面；电动旋转组件(18)由控制箱
(181)、集线器(182)、结构相同的上限位开关(183A)和下限位开关(183B)、步进电机(184)、驱动杆(185)、连接螺丝(186)和螺纹钢棒(187)等部件组成；螺纹钢棒(187)的一端与步进电机(184)的转轴相连，螺纹钢棒(I 87)的另一端与驱动杆(I 85)相连接;驱动杆(185)—端固定在上端右盖板(IlA)上，另一端与通过连接螺丝(186)连接到上端右盖板(IlA)的右转动轴(IllA)上;上限位开关(183A)、下限位开关(183B)安装在上端右盖板(IlA)上靠近内侧边沿处，分别位于驱动杆(185)的两侧，同时位于螺纹钢棒(187)的一侧;控制箱(181)和集线器(182)都安装在上端右盖板(IlA)的上侧部分，其中，控制箱(181)、上限位开关(183A)、下限位开关(183B)和步进电机(184)的控制线和电源线都连接在集线器上(182);集线器
(182)再与控制上端显示组件向上运动按钮(23A)和控制上端显示组件向下运动按钮(23B)相连接；训练者在调整上端显示台(I)位置时，若按下向上按钮(23A)，步进电机(184)将开始转动并带动螺纹钢棒(187)向上转动，驱动杆(I 85)连接螺纹钢棒(I 87)的一侧将向下转动，而通过连接螺丝(186)连接的上端显示台(I)将向上转动;若按下向下按钮(23B)步进电机(184)将开始转动并带动螺纹钢棒(187)向下转动，驱动杆(185)连接螺纹钢棒(187)的一侧将向上转动，而通过连接螺丝(186)连接的上端显示台(I)一侧将向下移动;这样通过步进电机的转动就可以使上端显示台(I)上、下的转动；上限位开关(183A)、下限位开关(183B)可控制上端显示台(I)在空间转动的角度范围；根据人体脑部日常俯、仰角的极大值，本发明设置上端显示台(I)上、下的转动的范围为30度;这样可以防止训练者因为误操作导致上端显示台(I)上、下转动的角度过大造成的潜在危险;控制箱(181)具有两个功能，其中一个功能是控制步进电机(184)转动速度，可通过速度控制旋钮(1811)进行调节;第二个功能是控制步进电机(184)转动的开启和关闭，可通过电动旋转开关(1812)操作；
[0021]所述的中端控制台(2)由内凹槽平板台面(27)、支撑板(28)、电源开关按钮(21)、系统开机按钮(22)、控制上端显示组件向上运动按钮(23A)、控制上端显示组件向下运动按钮(23B)和1寸液晶触摸屏组成；
[0022]中端控制台(2)的内凹槽平板台面(27)上安装有虚拟手术过程中所需的操作按钮:电源开关按钮(21)、系统开机按钮(22)、结构相同的控制上端显示组件向上运动按钮(23A)和控制上端显示组件向下运动按钮(23B)、触摸屏安装凹槽(29)中安装的10寸液晶触摸屏；电源开关按钮(21)通过电缆接到电源上，控制电源的开闭；系统开机按钮(22)通过电缆与计算机图形工作站(32)连接，控制该工作站的开闭；控制上端显示组件向上运动按钮(23A)通过电缆与