[發(fā)明專利]支持力覺交互的腰椎穿刺虛擬仿真與訓練系統(tǒng)

在審

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• 申請日: 2015-08-14
• 公開（公告）號: CN105069301A
• 公開（公告）日: 2015-11-18
• 發(fā)明（設計）人: 高瞻;潘海燕;高斐;王杰華;趙劍;蔣崢崢;陸建華
• 申請（專利權）人: 南通大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G09B9/00
• 代理公司: 北京科億知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發(fā)明設計了一種腰椎穿刺的虛擬仿真與訓練系統(tǒng)，屬于虛擬現(xiàn)實、系統(tǒng)仿真、醫(yī)學信息技術的交叉應用領域。

背景技術

腰椎穿刺既可用于診斷又可用于治療。腰椎穿刺技術也是醫(yī)學教學的難點之一，要求醫(yī)生具有很高的手術技巧、準確高效的手眼協(xié)作能力、以及大量嚴格的術前技能培訓和實踐，訓練周期極長，要求實踐能力極強。圖1所示為腰椎穿刺的解剖示意圖，穿刺針依次穿過皮膚、脂肪、棘上韌帶、椎間韌帶、黃韌帶、硬腦脊膜的時候，因為每層組織彈性各不相同，因此產(chǎn)生對穿刺針不同的阻力，對操作者來說，會感受到阻力的增減變化。阻力的增減變化對操作者來說是一個提示，有經(jīng)驗的操作者可據(jù)此判斷針尖所處位置。

綜合目前的傳統(tǒng)訓練方式共有四種：捐獻的尸體、人體模型、動物及病人；然而這些方式都存在各自明顯的不足，比如捐獻的尸體有限，而且軟組織物理特性改變，訓練的機會少；標本數(shù)量有限，成本昂貴；動物解剖環(huán)境和人體不同，訓練環(huán)境不理想；在病人身上練習手術風險大，不易被病人所接受且具有不可重復性。在傳統(tǒng)手術中，醫(yī)生是根據(jù)從標本或書上獲得的人體解剖知識，并結合臨床經(jīng)驗制定手術方案的，并在自己大腦中進行術前的手術預演。這種方式的不足在于手術方案的質(zhì)量取決于醫(yī)生個體臨床經(jīng)驗與技能；不利于事先發(fā)現(xiàn)整個手術過程中的問題；不利于醫(yī)生之間相互學習、探討。

隨著計算機技術和微創(chuàng)手術的發(fā)展，數(shù)字化虛擬手術在醫(yī)學領域中扮演著越來越重要的角色。利用虛擬現(xiàn)實技術，通過構建人體器官的數(shù)字模型，模擬人體組織的物理和生理特性，仿真手術場景和手術器械，醫(yī)生可以沉浸于虛擬手術環(huán)境中，交互地體驗和學習各種手術。

目前在醫(yī)學臨床教學中尚無針對脊椎穿刺術訓練的工具，操作者很難學習、掌握腰椎穿刺技術的要領。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術問題是，針對背景技術存在的不足，提出一種支持力覺交互的腰椎穿刺虛擬仿真與訓練系統(tǒng)，達到力覺感覺平穩(wěn)、模擬效果逼真、能夠滿足腰椎穿刺手術仿真對實時性要求和精細作業(yè)的要求。

本發(fā)明為解決上述技術問題而采用以下技術方案：

一種支持力覺交互的腰椎穿刺虛擬仿真與訓練系統(tǒng)，包括計算裝置和力覺交互設備，在計算裝置上連接有顯示設備；其中，所述計算裝置與力覺交互設備連接，用于將力覺交互設備檢測到的使用者做出的動作信號傳輸至計算裝置，計算裝置將接收的信號帶入預先設置的模型進行實時仿真計算，得到穿刺針作用力傳輸至力覺交互設備由使用者感知，同時根據(jù)仿真計算結果在顯示設備上生成實時虛擬穿刺過程界面，從而實現(xiàn)腰椎穿刺虛擬仿真與訓練。

進一步的，本發(fā)明的一種支持力覺交互的腰椎穿刺虛擬仿真與訓練系統(tǒng)，所述計算裝置包括離線模型構建單元、實時仿真計算單元；其中，

離線模型構建單元用于構建包含脊柱骨骼和軟組織的人體軀干幾何模型和有限元模型，并對有限元模型進行約減；

實時仿真計算單元包括：

軀干有限元模型變形計算模塊，用于建立約減后的有限元模型的運動方程，在約減空間中對約減后的運動方程進行仿真，重建形變向量實現(xiàn)軀干有限元模型的變形，以及對有限元模型進行局部更新和采樣；

力覺交互模塊，用于根據(jù)使用者的動作信號計算出力覺信息并將其發(fā)送至力覺交互設備，同時讀取力覺交互設備的操作手柄的位姿來更新虛擬穿刺針的位姿狀態(tài)；

虛擬穿刺教學與訓練模塊，用于在虛擬穿刺過程中，為用戶提供教學與訓練。

進一步的，本發(fā)明的一種支持力覺交互的腰椎穿刺虛擬仿真與訓練系統(tǒng)，力覺交互模塊包含碰撞檢測子模塊、碰撞響應子模塊，力覺渲染子模塊，其中：

碰撞檢測子模塊，用于根據(jù)虛擬穿刺針和軀干各部分的相對位置進行碰撞檢測；

碰撞響應子模塊，用于根據(jù)碰撞檢測的結果計算出虛擬穿刺針受到的阻力，把虛擬穿刺針施加給軀體軟組織上的力作為輸入，傳送給軀干有限元模型變形計算模塊，從而計算出軀干有限元模型變形后的形狀和位移；

力覺渲染子模塊，用于接受碰撞檢測子模塊與碰撞響應子模塊發(fā)送來的力覺信息并將其發(fā)送至力覺交互設備，從而讓操作者感受到虛擬穿刺產(chǎn)生的力反饋；同時，讀取力覺交互設備的操作手柄的位姿，并根據(jù)此位姿信息更新虛擬環(huán)境中的虛擬穿刺針的位姿狀態(tài)。

進一步的，本發(fā)明的一種支持力覺交互的腰椎穿刺虛擬仿真與訓練系統(tǒng)，所述虛擬穿刺教學與訓練模塊是在虛擬穿刺過程中：提供穿刺點位置的高亮顯示，穿刺方向的三維線段顯示，穿刺針刺入的動畫播放，同時以截面視圖展示穿刺針在人體內(nèi)部的位置，穿刺針運動軌跡顯示，進行視覺引導。