CN105931517A - 一种外科手术虚拟仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外科手术虚拟仿真方法及系统，该方法包括：实时获取用户操作的设备手柄的位置姿态参数；设备手柄用于控制虚拟手术器械；根据位置姿态参数，判断虚拟手术器械是否在对虚拟人体组织进行操作；如果是，利用力学分析算法对位置姿态参数的变化情况进行分析，得到虚拟人体组织针对虚拟手术器械的操作的反馈力；将反馈力传递至设备手柄，以使用户通过设备手柄感知到反馈力。可见，本发明能够逼真地模拟出人体组织与手术器械的受力状态，并将这种受力状态反映至用户操作的设备手柄，使医生在培训过程中感知到手术操作的反馈力，从而使培训更接近现实中的手术过程，进而减少错误的推断，从而保证了临床手术质量。

Description

一种外科手术虚拟仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及力学仿真技术领域，特别是涉及一种外科手术虚拟仿真方法及系统。

背景技术

随着社会经济和科学技术的不断发展，为了能够让医生在临床手术前积累尽可能多的手术操作经验，人们提出了外科手术虚拟培训系统，特别是针对微创外科手术。在现有技术中，外科手术虚拟培训系统中的外科手术虚拟仿真系统能够根据真实的手术场景仿真出虚拟的手术环境中，在手术仿真环境中，医生可以进行类似真实手术的操作，以此来积累手术操作经验。

但是，基于现有的仿真系统，医生在外科手术虚拟培训的过程中只能凭借视力观察来推断手术中的状态，不能感知到手术操作的反馈力，这样可能会得出错误的推断，对以后进入临床手术时，也不利于手术的进行，甚至有可能因为错误的推断而导致病人康复延缓、引起其它病变。比如：在进行伤口线缝合的临床手术过程中，由于培训的过程中缺乏反馈力的感知，很可能出现拉线力度过小或过大的情况，而拉线力度过小会导致伤口愈合较慢，拉线力度过大会过度伤害人体组织，均会影响病人的术后康复。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种外科手术虚拟仿真方法及系统，以使医生在培训过程中感知到手术操作的反馈力，进而减少错误的推断，从而保证临床手术质量。

为解决上述技术问题，本发明提供一种外科手术虚拟仿真方法，该方法包括：

实时获取用户操作的设备手柄的位置姿态参数；所述设备手柄用于控制虚拟手术器械；

根据所述位置姿态参数，判断所述虚拟手术器械是否在对虚拟人体组织进行操作；

当判定所述虚拟手术器械在对所述虚拟人体组织进行操作时，利用力学分析算法对所述位置姿态参数的变化情况进行分析，得到所述虚拟人体组织针对所述虚拟手术器械的操作的反馈力；

将所述反馈力传递至所述设备手柄，以使所述用户通过所述设备手柄感知到所述反馈力。

上述方法中，优选地，所述根据所述位置姿态参数，判断所述虚拟手术器械是否在对虚拟人体组织进行操作，包括：

根据所述位置姿态参数，确定所述虚拟手术器械在虚拟手术环境中的位置；

判断所述虚拟手术器械的位置是否处于所述虚拟人体组织的范围内；

如果是，则判定所述虚拟手术器械在对所述虚拟人体组织进行操作；如果否，则判定所述虚拟手术器械没有在对所述虚拟人体组织进行操作。

上述方法中，优选地，所述将所述反馈力传递至所述设备手柄，包括：

将所述反馈力通过力反馈设备传递至所述设备手柄，以使所述用户通过所述设备手柄感知到所述反馈力。。

上述方法中，优选地，在所述实时获取用户操作的设备手柄的位置姿态参数之前，还包括：

初始化所述位置姿态参数。

本发明还提供了一种外科手术虚拟仿真系统，该系统包括：

参数获取单元，用于实时获取用户操作的设备手柄的位置姿态参数；所述设备手柄用于控制虚拟手术器械；

操作判断单元，用于根据所述位置姿态参数，判断所述虚拟手术器械是否在对虚拟人体组织进行操作；

反馈力确定单元，用于当判定所述虚拟手术器械在对所述虚拟人体组织进行操作时，利用力学分析算法对所述位置姿态参数的变化情况进行分析，得到所述虚拟人体组织针对所述虚拟手术器械的操作的反馈力；

反馈力传递单元，用于将所述反馈力传递至所述设备手柄，以使所述用户通过所述设备手柄感知到所述反馈力。

上述系统中，优选地，所述操作判断单元包括：

位置确定子单元，用于根据所述位置姿态参数，确定所述虚拟手术器械在虚拟手术环境中的位置；

判断子单元，用于判断所述虚拟手术器械的位置是否处于所述虚拟人体组织的范围内；如果是，则判定所述虚拟手术器械在对所述虚拟人体组织进行操作；如果否，则判定所述虚拟手术器械没有在对所述虚拟人体组织进行操作。

上述系统中，优选地，该系统还包括：

力反馈设备，用于将所述反馈力传递至所述设备手柄，以使所述用户通过所述设备手柄感知到所述反馈力。

上述系统中，优选地，该系统还包括：初始化单元，用于在所述实时获取用户操作的设备手柄的位置姿态参数之前，初始化所述位置姿态参数。

以上本发明提供的一种外科手术虚拟仿真方法及系统中，根据用户操作的设备手柄的位置姿态参数，判断虚拟手术器械是否在对虚拟人体组织进行操作；如果是，则利用力学分析算法对所述位置姿态参数的变化情况进行分析，得到虚拟人体组织针对虚拟手术器械的操作的反馈力；最后将这个反馈力传递至设备手柄，以使用户通过设备手柄感知到反馈力。

可见，在用户(即操作医生)进行虚拟培训过程中，本发明能够逼真地模拟出人体组织与手术器械的受力状态，然后将这种受力状态反映至用户操作的设备手柄，使医生在培训过程中感知到手术操作的反馈力，从而获得更加逼真的手术培训效果，培训更接近现实中的手术过程，进而减少错误的推断，从而保证了临床手术质量。同时，在保证临床手术质量的基础上，进一步也能改善病人术后康复程度，减少病人痛苦，缩短康复时间以及提高病人的满意度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种外科手术虚拟仿真方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种硬件结构场景图；

图3为本发明实施例提供的一种刀口缝合手术培训的场景图；

图4为本发明实施例提供的一种外科手术虚拟仿真系统的结构框图示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种外科手术虚拟仿真方法及系统，以使医生在培训过程中感知到手术操作的反馈力，进而减少错误的推断，从而保证临床手术质量。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参考图1，图1示出了本发明实施例提供的一种外科手术虚拟仿真方法的流程图，该方法具体可以包括如下步骤：

步骤S100、实时获取用户操作的设备手柄的位置姿态参数。

本发明实施例方法的执行主体为外科手术虚拟仿真系统(简称仿真系统)，在实际应用中，该仿真系统主要应用于外科手术虚拟培训系统(简称培训系统)，为了便于本领域技术人员更有场景性地理解本发明技术方案，本发明以下内容在需要时会以培训系统为例进行说明。

本发明中，仿真系统通过对人体组织、手术器械等其他手术会涉及到的部件进行仿真建模，以此形成虚拟手术环境，可以理解的是，这个虚拟手术环境至少包括虚拟人体组织和虚拟手术器械；同时，为了建立虚拟手术环境与用户(即操作医生)的联系，本发明提供了用于控制虚拟手术环境中虚拟手术器械的设备手柄，即用户通过操作设备手柄来控制虚拟手术器械，进而操作虚拟手术器械来对虚拟人体组织进行手术。

对于设备手柄的位置姿态参数，其主要表征设备手柄所处的位置状态，在具体实施过程中，用户对设备手柄进行不同的操作，会有不同的位置姿态参数产生，通过它的变化情况可以确定用户对设备手柄进行的操作具体是什么，进而也就能确定用户想让虚拟手术器械对虚拟人体组织进行怎样的手术操作，这样在整个虚拟手术环境中对这个手术操作进行同步的显示和操作，以此来达到对用户进行虚拟手术体验的目的。

在具体实施过程中，先启动仿真系统，然后对整个虚拟手术环境进行初始化，即恢复设备手柄的位置姿态为预设的初始状态，也就是初始化设备手柄的位置姿态参数；同时，分别将虚拟人体组织和虚拟手术器械放置在虚拟手术环境中预设的初始位置。完成初始化过程后，仿真系统实时获取用户操作的设备手柄的位置姿态参数。

步骤S101、根据位置姿态参数，判断虚拟手术器械是否在对虚拟人体组织进行操作；如果是，则进入步骤S102，如果否，则返回执行下一次判断虚拟手术器械是否在对虚拟人体组织进行操作。

具体地，在获取到设备手柄的位置姿态参数之后，结合运动学仿真算法，根据位置姿态参数来确定虚拟手术器械在虚拟手术环境中的位置，在这个过程中，会根据用户对设备手柄的操作将虚拟手术器械在虚拟手术环境中同步更新至相应的位置。

在确定虚拟手术器械的位置后，判断虚拟手术器械的位置是否处于虚拟人体组织的范围内，也就是，判断虚拟手术器械是否接触到虚拟人体组织；当虚拟手术器械接触到虚拟人体组织时，判定虚拟手术器械在对虚拟人体组织进行操作；当然，当虚拟手术器械没有接触到虚拟人体组织时，认为虚拟手术器械没有在对虚拟人体组织进行操作。

步骤S102、利用力学分析算法对位置姿态参数的变化情况进行分析，得到虚拟人体组织针对虚拟手术器械的操作的反馈力；

本发明中，特别地，当虚拟手术器械接触到虚拟人体组织时，在仿真环境物理层就会产生仿真力，即检测用户操作设备手柄产生的位置姿态参数的变化情况，根据这个变化情况可以确定虚拟手术器械对虚拟人体组织的操作力度，这时，模拟现实中人体组织对这个操作及操作力度的反馈，结合力学分析算法确定虚拟人体组织对该操作及操作力度的反馈力。

步骤S103、将反馈力传递至设备手柄，以使用户通过设备手柄感知到反馈力。

本发明中，在确定虚拟人体组织对该操作及操作力度的反馈力后，结合力学分析算法将反馈力分解给力反馈设备，由反馈设备将这个反馈力传递至设备手柄，由于用户是手握操作着设备手柄的，因此用户可以在设备手柄上感知到那个反馈力。实际上，同时，可以理解的是，操作医生操控设备手柄，可以通过这个力反馈设备将操控力传递至虚拟手术环境，对虚拟手术环境产生力的影响，可见，本发明仿真系统在使用过程中体现在虚拟手术环境中的虚拟人体组织与虚拟手术器械的物理层与视觉层上，即用户可以体验到在手术中人体组织与手术器械的受力情况，从而获得更加逼真的手术培训效果，培训更接近现实中的手术过程，为临床手术积累宝贵的经验。

参考图2，示出了一种硬件结构场景图，图中，计算机4(运行有本发明仿真系统)与力反馈设备2、力反馈设备6分别通过通讯线缆3、通讯线缆5链接在一起，组成硬件系统。在培训的过程中，操作医生通过设备手柄1、设备手柄7感知虚拟手术环境中反馈力的存在。

进一步地，以刀口缝合手术培训为例，结合图2和图3示出的刀口缝合手术培训的场景图，操作医生左手、右手分别持设备手柄1、设备手柄7，控制虚拟手术环境中的虚拟手术器械15、虚拟手术器械16做刀口缝合手术培训，虚拟手术器械16持缝合针18穿入虚拟人体组织的过程中(用手术缝合线17对手术刀口19进行缝合)，操作医生通过设备手柄7感受到缝合针18穿入虚拟人体组织的受力变化，虚拟手术器械15将缝合针18从虚拟人体组织拔出的过程中，操作医生通过设备手柄1感受到缝合针18从虚拟人体组织拔出的受力变化。在刀口缝合手术培训中，操作医生可以体验到最佳缝合受力情况，更接近现实中的手术过程，为临床手术积累宝贵经验。

可见，在用户(即操作医生)进行虚拟培训过程中，本发明能够逼真地模拟出现实中人体组织与手术器械的受力状态，然后将这种受力状态反映至用户操作的设备手柄，使操作医生在培训过程中感知到手术操作的反馈力，从而获得更加逼真的手术培训效果，培训更接近现实中的手术过程，进而减少错误的推断，从而保证了临床手术质量。同时，在保证临床手术质量的基础上，进一步也能改善病人术后康复程度，减少病人痛苦，缩短康复时间以及提高病人的满意度。

基于上述本发明实施例提供的外科手术虚拟仿真方法，本发明实施例还提供了一种外科手术虚拟仿真系统，参考图4，该仿真系统400可以包括如下内容：

参数获取单元401，用于实时获取用户操作的设备手柄的位置姿态参数；设备手柄用于控制虚拟手术器械；

操作判断单元402，用于根据位置姿态参数，判断虚拟手术器械是否在对虚拟人体组织进行操作；

反馈力确定单元403，用于当判定虚拟手术器械在对虚拟人体组织进行操作时，利用力学分析算法对位置姿态参数的变化情况进行分析，得到虚拟人体组织针对虚拟手术器械的操作的反馈力；

反馈力传递单元404，用于将反馈力通过力反馈设备传递至设备手柄，以使用户通过设备手柄感知到反馈力。

本发明中，上述操作判断单元402具体可以包括位置确定子单元和判断子单元，其中：

位置确定子单元，用于根据位置姿态参数，确定虚拟手术器械在虚拟手术环境中的位置；

判断子单元，用于判断虚拟手术器械的位置是否处于虚拟人体组织的范围内；如果是，则判定虚拟手术器械在对虚拟人体组织进行操作；如果否，则判定虚拟手术器械没有在对虚拟人体组织进行操作。

本发明中，本发明仿真系统400具体还可以包括力反馈设备，用于将反馈力传递至设备手柄，以使用户通过设备手柄感知到反馈力。

另外，本发明仿真系统400具体还可以包括初始化单元，用于在实时获取用户操作的设备手柄的位置姿态参数之前，初始化位置姿态参数。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于系统类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种外科手术虚拟仿真方法及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种外科手术虚拟仿真方法，其特征在于，该方法包括：

实时获取用户操作的设备手柄的位置姿态参数；所述设备手柄用于控制虚拟手术器械；

根据所述位置姿态参数，判断所述虚拟手术器械是否在对虚拟人体组织进行操作；

当判定所述虚拟手术器械在对所述虚拟人体组织进行操作时，利用力学分析算法对所述位置姿态参数的变化情况进行分析，得到所述虚拟人体组织针对所述虚拟手术器械的操作的反馈力；

将所述反馈力传递至所述设备手柄，以使所述用户通过所述设备手柄感知到所述反馈力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述位置姿态参数，判断所述虚拟手术器械是否在对虚拟人体组织进行操作，包括：

根据所述位置姿态参数，确定所述虚拟手术器械在虚拟手术环境中的位置；

判断所述虚拟手术器械的位置是否处于所述虚拟人体组织的范围内；

如果是，则判定所述虚拟手术器械在对所述虚拟人体组织进行操作；如果否，则判定所述虚拟手术器械没有在对所述虚拟人体组织进行操作。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述将所述反馈力传递至所述设备手柄，包括：

将所述反馈力通过力反馈设备传递至所述设备手柄，以使所述用户通过所述设备手柄感知到所述反馈力。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述实时获取用户操作的设备手柄的位置姿态参数之前，还包括：

初始化所述位置姿态参数。

5.一种外科手术虚拟仿真系统，其特征在于，该系统包括：

参数获取单元，用于实时获取用户操作的设备手柄的位置姿态参数；所述设备手柄用于控制虚拟手术器械；

操作判断单元，用于根据所述位置姿态参数，判断所述虚拟手术器械是否在对虚拟人体组织进行操作；

反馈力确定单元，用于当判定所述虚拟手术器械在对所述虚拟人体组织进行操作时，利用力学分析算法对所述位置姿态参数的变化情况进行分析，得到所述虚拟人体组织针对所述虚拟手术器械的操作的反馈力；

反馈力传递单元，用于将所述反馈力传递至所述设备手柄，以使所述用户通过所述设备手柄感知到所述反馈力。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述操作判断单元包括：

位置确定子单元，用于根据所述位置姿态参数，确定所述虚拟手术器械在虚拟手术环境中的位置；

判断子单元，用于判断所述虚拟手术器械的位置是否处于所述虚拟人体组织的范围内；如果是，则判定所述虚拟手术器械在对所述虚拟人体组织进行操作；如果否，则判定所述虚拟手术器械没有在对所述虚拟人体组织进行操作。

7.如权利要求5或6所述的系统，其特征在于，该系统还包括：

力反馈设备，用于将所述反馈力传递至所述设备手柄，以使所述用户通过所述设备手柄感知到所述反馈力。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，该系统还包括：初始化单元，用于在所述实时获取用户操作的设备手柄的位置姿态参数之前，初始化所述位置姿态参数。