[發明專利]一種沉浸式自適應位姿虛擬手術訓練平臺

有效

• 申請號: 201610124250.5
• 申請日: 2016-03-04
• 公開（公告）號: CN105608945B
• 公開（公告）日: 2018-07-20
• 發明（設計）人: 李春泉;劉小平;程強強;鄒艷妮;黃詩文;葉堃煜
• 申請（專利權）人: 南昌大學
• 主分類號: G09B9/00
• 分類號: G09B9/00;G09B23/28;G09B5/02;G02B27/22
• 代理公司: 南昌新天下專利商標代理有限公司 36115
• 代理人: 施秀瑾

一種沉浸式自適應位姿虛擬手術訓練平臺，由上端顯示組件、中端控制臺組件、下端支撐組件和側面支撐組件等四部分組成。上端顯示組件根據人機工程學設計，符合人體面部結構，可通過旋鈕調節觀測中心空間大小以適應不同大小的人體腦部，讓腦部與平臺更加貼合，增強沉浸感。可自適應調節位姿，以自己適合的姿勢進行手術操作訓練，提高舒適度，減輕疲勞感。通過上端顯示組件的外部3D顯示器觀看整個手術訓練過程，可對訓練效果評測。本平臺可用于模擬腦外科、肝臟、腎臟、乳腺等各類手術操作過程，讓見習手術醫生或醫學院學生反復、無損、方便地進行手術訓練，解決了傳統外科醫生訓練中存在的訓練周期長、效率低、費用高、訓練對象匱乏等問題。

技術領域

本發明涉及一種基于計算機的虛擬現實技術的虛擬手術訓練設備

背景技術

基于計算機仿真的虛擬現實技術，利用計算機重構生成某種或某類現實中的二維或三維虛擬場景，用戶可通過相應設備與虛擬場景中的各類物體進行交互，從而體驗到與現實中一樣逼真的聽覺、視覺、嗅覺、力覺等多感知。

傳統的外科醫生的培養方式采用“傳、幫、帶”的學徒模式。這種方法存在周期長、成本高、效率低、尸體源匱乏等問題。即使現在醫學試驗中經常使用的動物作為外科醫生手術訓練對象，也存在道德層面的問題，而且動物的組織結構必然與人類有所差別。

為了解決外科醫生的培訓中存在的這些難題，研究開發以虛擬現實技術為基礎的虛擬外科手術仿真訓練系統成為目前醫學領域的一個熱點和前沿課題。由加拿大國家研究理事會(National Research Council,NRC)牽頭，聯合了多個研究小組和知名醫院，花費了910萬美元，50多名包括專家學者、臨床醫生、工程師，跨度三年共同研制的腦外科手術模擬器原型機NeuroTouch是目前世界上最先進的腦外科虛擬手術訓練系統。首先，利用患者的功能性核磁共振(functional magnetic resonance imaging，fMRI)影像數據重構一個高分辨率的3D人體腦組織模型，這個模型是基于有限元網格的。然后，讀取該有限元模型并渲染現實，接著，用戶通過操作一個類似手術刀的力反饋設備(采用的是Sensable公司的Phantom OMNI)與虛擬模型進行交互，這個裝置有6個自由度，能夠實時反饋設備與腦組織不同部位或者不同操作后產生的力。同時，用戶可以通過屏幕觀察力反饋設備與虛擬模型的交互結果，包括組織形變、灰質出血和搏動。NeuroTouch的特點在于其模擬仿真軟組織的形變、切割、流血等生理現象很逼真，但是該系統的3D顯示效果主要通過3個固定的顯示屏，無法根據不同人體的需求進行調整，沉浸感和舒適度都無法得到滿足。

在現有技術中，專利ZL200910242042.5公開了一種虛擬現實牙科手術觸感訓練支撐平臺，但是這種裝置是針對人體牙齒組織設計，牙齒屬于剛性物質，對其建模和交互過程中的數據處理都比人體腦組織(軟組織)更為簡單。而且該系統智能模擬牙科手術的仿真，可擴展性不強。專利ZL201010173563.2公開了一種支持力觸覺反饋的虛擬柔性體變形手術仿真系統，該發明利用等節距圓錐形螺旋彈簧力觸覺建模方法，將每層等節距圓錐形螺旋彈簧變形量之和的疊加來模擬柔性體表面的變形。這種方法不是真正意義上的物理模型，沒有反映軟組織生理特征的材料參數，而且不是三維立體顯示，仿真效果不夠逼真。ZL201110150678.4公開了一種基于力反饋的機器人微創手術仿真系統，該發明主要針對微創手術設計，其中的圖形處理模塊可將影像數據轉換為三維體數據并通過三維顯示設備展現出來。但是，該系統沒有設計專門的虛擬手術操作平臺，操作者容易受到周圍環境聲音、光線、人及其他事物的干擾，沉浸感不強。因此，為了解決傳統外科醫生手術訓練問題，打破國外在該領域的壟斷地位，發明一種具有逼真的虛擬手術仿真沉浸感且能夠提高手術訓練者舒適性的自適應位姿的虛擬外科手術訓練平臺是一個重要、迫切的問題。

發明內容

針對傳統外科手術醫生訓練中存在的訓練周期長、成本高、效率低、訓練對象匱乏和違背倫理道德等問題，本發明公開了一種沉浸式自適應位姿虛擬手術訓練平臺，該平臺為見習外科手術醫生或醫學院學生等訓練者提供一個進行虛擬現實手術操作的訓練平臺。