CN101996507A - 构建外科虚拟手术教学及训练系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种构建外科虚拟手术教学及训练系统的方法。所述方法的具体步骤为：1、各种检查数据按正常人和患者分类进行数据收集，对采集的数据进行集中存储，构建完整的男、女虚拟人体模型各一个；2、对医疗数据进行几何建模、计算建模及变形计算，用多轮廓线三维重建算法对骨骼和软组织进行建模；3、用3DMAX10的三维模型重建、贴图及赋予器官组织生理特性；4、通过VRML语言编写虚拟手术的相关物件和手术模拟场景；5、虚拟手术场景下的术前准备和病人信息的核对确认；6、虚拟手术实际方法的完整操作细节重现过程；7、建立模拟手术教学评定系统；8、授课教师及受训人员双方的综合评价和考核。所述方法利用虚拟现实技术构建模拟手术教学体系，为医院和医学院校提供了广阔而透明的仿真教学和研究平台。

Description

构建外科虚拟手术教学及训练系统的方法

技术领域

本发明及到生物医学工程领域，特别涉及到构建外科虚拟手术教学及训练系统的方法。

背景技术

生物医学工程（Biomedical Engineering，简称BME）是一门由理、工、医相结合的边缘学科，是多种工程学科向生物医学渗透的产物。它是运用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学的角度，在多层次上研究人体的结构、功能及其相互关系，揭示其生命现象，为防病、治病提供新的技术手段的一门综合性、高技术的学科。传统的手术教学做法是采用模拟橡皮人进行教学，手术录像的演示播放，器官实物标本讲解，人体尸体解剖教学，动物活体解剖教学以及专家手术观摩等形式，针对外科手术培训、手术预演、临床诊断、远程手术、康复治疗等医学辅助教学环节。教学一般需要在专门的实验室或手术间内进行。这种教学方法存在有许多不足，例如：1、模拟橡皮人进行教学，本身橡皮人材料易老化，使用过多次后就需要更换，橡皮人的价格比较高，经常更换教具大大增加了教学成本。2、人体解剖结构教学 在实验室里通过看录像或尸体解剖教学，不能起到使学生非常直观、轻松学习解剖结构的作用，并产生了大量的训练费用，如教材费，尸体解剖费，实习费等。3、专家手术观摩形式，使医务工作者不能完全沉浸于实际的场景内，通过视听触觉等多种感官了解和学习各种手术实际操作，对于年轻医生而言，不能亲自操作及与专家操作方法及时进行比对，发现自己的错误和不足，无疑使得培训年轻医务人员浪费大量费用和时间，不能获得良好的受训效果。4、对于病灶可以让医生在手术之前学习新的手术方法和程序，练习所制定的手术计划，并对治疗结果进行评判。如果让没有经验的医学生或实习生进行手术操作，大大增加手术的风险，无法保障病人的生命安全，增加了医院因手术失败，随之而来的支出成本和社会负面影响。5、动物活体解剖教学要使用的昂贵的动物试验。费用也是比较客观的。6、控制带教老师的教学质量，加强了对受训的学生考核，无法用量化的、科学的金标准进行质量管理和控制。

发明内容

本发明目的在于提供一种采用VRT的计算机多媒体技术和图形三维算法，利用WEB VRML的虚拟现实技术来构建外科虚拟手术教学及训练系统的方法。

为实现上述目的本发明的技术方案为：

一种构建外科虚拟手术教学及训练系统的方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：

（1）、对各种医学检查数据按照正常人和疾病患者分类进行数据收集，采用DICOM3格式采集，所采集的医学数据包括图像数据和声音数据，应用EMC存储设备，对所采集的数据进行集中存储，并进行病情病原分类、按不同部位进行数据保存、代码标注的二次预处理，针对采集到得标准人体数据，进行相似性分析，构建完整的男、女虚拟人体模型各一个。

（2）、对筛选出病种分类的各种医疗数据进行几何建模、计算建模及变形计算，采用多轮廓线三维重建算法对骨骼和软组织进行建模，用三维重建的B样曲线完成人体软组织边缘修复，用小值二分法的算法设计实现人体组合结构的三维构型和贴图；采用成熟的三维重建技术构建了虚拟人体肝脏、胆囊、直肠、腿骨、手臂、耳、眼等器官部位的立体模型。

（3）、用3DMAX10的三维模型重建、贴图及赋予器官组织生理特性，并进行碰撞检测和图形绘制，使虚拟人体的关节有活动的特性，皮肤和软组织表面有弹性和伸缩形变特性；

（4）、通过VRML语言编写虚拟手术的相关物件，包括手术止血钳、镊子、电刀、监护仪、麻醉机、手术吊塔、无影灯、多功能手术床，编写手术模拟场景，包括手术背景声效、手术室房间内摆设、洗手池、消毒区；

（5）、虚拟手术场景下的术前准备和病人信息的核对确认；

（6）、虚拟手术实际方法的完整操作细节重现过程，按现实中常规手术方法进行操作；

（7）、用SQL SERVER数据库建立模拟手术教学内容的权重赋值和量化考评的评定系统，包括评分和评级；

（8）、对所做手术教学项目授课教师及受训人员双方用SQL SERVER数据库的权重赋值和量化考评的评定系统，进行综合评价和考核。

所述方法应用于普通外科、骨外科和耳鼻喉科模拟手术教学，主要应用于手术培训、手术预演、临床诊断、远程手术、康复治疗等医学辅助教学环节。 

本发明的积极效果为：

1、利用当前先进的虚拟现实技术构建模拟手术教学体系，为各级医院和高等医学院校提供更为广阔而透明的仿真教学和研究平台。

2、本手术教学体系主要应用于手术培训、手术预演、临床诊断等医学辅助教学环节，从而降低教学成本，降低医疗风险，节约培训资源，提高医学生、临床实习医生、进修医生的教学质量，同时可对培训教授和教师进行教学质量跟踪考评管理。

3、与医院现有大型医疗设备连接，可直接采集数据，保持数据时时更新。充分利用医疗资源和先进完善的进口大型医疗设备的各种图像、声波、文本等媒体信息，有针对性的采集和汇总整合医疗资源，更好地为教学服务。

4、针对教学资源投入的客观实际，结合临床一线工作实际相对国外同类技术有明显的价格优势。

5、采用先进的网络存储和多媒体技术实现教学的深层次发展和教学双方质量考核的全面评估。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。

实施例一

脑外科的右额颞开颅，蝶骨嵴脑膜瘤近全切除术手术模拟教学全过程

1、在虚拟手术教学程序的环境下，将手术前对病人的右蝶骨嵴巨大脑膜瘤进行真实CT扫描得到数据的采集。通过DICOM3数据格式的采集，利用编写的识别系统软件进行二次预处理分析。

2、对于筛选出病种分类的病人的颅骨及内部组织结构在事先生成的虚拟人体模型库中取出对应的模型，将该病人的真实颅骨CT扫描数据进行三维重建的B样曲线，bbox算法、傅里叶算法，小值二分法等算法的处理，完成医疗数据的几何建模、计算建模、变形计算。

3、通过3DMAX10对病人生理特征的三维模型重建、贴图及赋予器官组织生理特征，并进行骨骼皮肤组织碰撞检测和图形绘制，同时生成病人肿瘤的模型。

4、通过VRML语言编写虚拟手术的使用的手钻、常规消毒铺巾、手术刀、电刀、棉片、纱布、钛片、肿瘤大小约6X6X5cm三维模型和手术室场景模拟。

5、在虚拟手术场景下术前准备和病人信息的核对确认。

6、在虚拟手术场景下进行右额颞开颅，蝶骨嵴脑膜瘤近全切除术手术重现：按照常规手术方法进行操作。切除目标为一个肿瘤大小约6X6X5cm，具体操作步骤为（1）、颅内减压充分；（2）、切除手术；（3）、分层缝合；（4）、术后操作。

7、用SQL SERVER数据库评价系统中的权重赋值和量化考评对模拟手术教学内容进行评定。

8、对所做手术教学项目授课教师和受训医学生双方用SQL SERVER数据库的权重赋值和量化考评的评定系统，进行综合评价和考核，显示出相应的成绩记录。

实施例二

耳鼻喉科右耳前瘘管及外耳修复术的模拟教学全过程

1、在虚拟手术教学程序的环境下，手术前对病人的右耳前瘘管及外耳进行真实CT扫描得到数据的采集，通过DICOM3数据格式的采集，利用编写的识别系统软件进行二次预处理分析。

2、对于筛选出病人的颅骨及耳部组织结构在事先生成的虚拟人体模型库中取出对应的模型，将该病人的真实右耳CT扫描数据进行三维重建的B样曲线，bbox算法、傅里叶算法，小值二分法等算法的处理，完成医疗数据的几何建模、计算建模、变形计算。

3、通过3DMAX10对病人生理特征的三维模型重建、贴图及赋予器官组织生理特征，并进行骨骼皮肤组织碰撞检测和图形绘制，同时生成病人右耳的模型。

4、通过VRML语言编写虚拟手术的使用的手钻、常规消毒铺巾、手术刀、电刀、棉片、纱布、右耳前瘘管及外耳三维模型和手术室场景模拟。

5、在虚拟手术场景下术前准备和病人信息的核对确认。

6、在虚拟手术场景下进行右耳前瘘管及外耳修复术，按照常规手术方法进行操作。该环节受训医师和医学生可以在此进行反复练习和多角度浏览。

7、用SQL SERVER数据库评价系统中的权重赋值和量化考评对模拟手术教学内容进行评定。

8、对所做手术教学项目授课教师和受训医学生双方用SQL SERVER数据库的权重赋值和量化考评的评定系统，进行综合评价和考核，显示出相应的成绩记录。

实施例三

在整形外科（美容科）进行隆胸修复术模拟教学全过程

1、在虚拟手术教学程序的环境下，将手术前对虚拟病人的乳房组织和躯干进行真实CT扫描得到数据的采集。通过DICOM3数据格式的采集，利用编写的识别系统软件进行二次预处理分析。

2、对于筛选出病人的躯干及乳房内部组织结构在事先生成的虚拟人体模型库中取出对应的模型，将该病人的乳房CT扫描数据进行三维重建的B样曲线，bbox算法、傅里叶算法，小值二分法等算法的处理，完成医疗数据的几何建模、计算建模、变形计算。

3、通过3DMAX10对病人生理特征的三维模型重建、贴图及赋予器官组织生理特征，并进行骨骼皮肤组织碰撞检测和图形绘制，同时生成病人肿瘤的模型。

4、通过VRML语言编写虚拟手术的使用的常规消毒铺巾、手术刀、电刀、棉片、纱布、钳夹、胆囊三维模型和手术室场景模拟。

5、在虚拟手术场景下术前准备和病人信息的核对确认。   

6、在虚拟手术场景下，进行虚拟病人的双乳对称修复手术，按照常规手术方法进行操作。

7、用SQL SERVER数据库评价系统中的权重赋值和量化考评对模拟手术教学内容进行评定。

8、对所做手术教学项目授课教师和受训医学生双方用SQL SERVER数据库的权重赋值和量化考评的评定系统，进行综合评价和考核，显示出相应的成绩记录。

实施例四

普外科的胆囊切除术手术模拟教学全过程

1、在虚拟手术教学程序的环境下，将手术前对虚拟病人的腹腔和胆囊组织进行真实CT扫描得到数据的采集。通过DICOM3数据格式的采集，利用编写的识别系统软件进行二次预处理分析。

2、对于筛选出病种分类的病人的腹部及内部组织结构在事先生成的虚拟人体模型库中取出对应的模型，将该病人的胆囊CT扫描数据进行三维重建的B样曲线，bbox算法、傅里叶算法，小值二分法等算法的处理，完成医疗数据的几何建模、计算建模、变形计算。

3、通过3DMAX10对病人生理特征的三维模型重建、贴图及赋予器官组织生理特征，并进行骨骼皮肤组织碰撞检测和图形绘制，同时生成病人肿瘤的模型。

4、通过VRML语言编写虚拟手术的使用的常规消毒铺巾、手术刀、电刀、棉片、纱布、钳夹、胆囊三维模型和手术室场景模拟。

5、在虚拟手术场景下术前准备和病人信息的核对确认。    

6、在虚拟手术场景下，按照常规手术方法进行操作。常规操作为（1）、消毒；（2）、切开皮肤和肌肉，打开腹腔，其中止血用到模拟电刀操作；（3）、手术操作；（4）、模拟缝合腹腔，缝合肌肉和皮肤。

7、用SQL SERVER数据库评价系统中的权重赋值和量化考评对模拟手术教学内容进行评定。

8、对所做手术教学项目授课教师和受训医学生双方用SQL SERVER数据库的权重赋值和量化考评的评定系统，进行综合评价和考核，显示出相应的成绩记录。

以上所述仅是本发明的非限定实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思和不作出创造性劳动的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种构建外科虚拟手术教学及训练系统的方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：

（1）、对各种医学检查数据按照正常人和疾病患者分类进行数据收集，采用DICOM3格式采集，所采集的医学数据包括图像数据和声音数据，应用EMC存储设备，对所采集的数据进行集中存储，并进行病情病原分类、按不同部位进行数据保存、代码标注的二次预处理，针对采集到得标准人体数据，进行相似性分析，构建完整的男、女虚拟人体模型各一个；

（2）、对筛选出病种分类的各种医疗数据进行几何建模、计算建模及变形计算，采用多轮廓线三维重建算法对骨骼和软组织进行建模，用三维重建的B样曲线完成人体软组织边缘修复，用小值二分法的算法设计实现人体组合结构的三维构型和贴图；

（3）、用3DMAX10的三维模型重建、贴图及赋予器官组织生理特性，并进行碰撞检测和图形绘制，使虚拟人体的关节有活动的特性，皮肤和软组织表面有弹性和伸缩形变特性；

（4）、通过VRML语言编写虚拟手术的相关物件，包括手术止血钳、镊子、电刀、监护仪、麻醉机、手术吊塔、无影灯、多功能手术床，编写手术模拟场景，包括手术背景声效、手术室房间内摆设、洗手池、消毒区；

（5）、虚拟手术场景下的术前准备和病人信息的核对确认；

（6）、虚拟手术实际方法的完整操作细节重现过程，按现实中常规手术方法进行操作；

（7）、用SQL SERVER数据库建立模拟手术教学内容的权重赋值和量化考评的评定系统，包括评分和评级；

（8）、对所做手术教学项目授课教师及受训人员双方用SQL SERVER数据库的权重赋值和量化考评的评定系统，进行综合评价和考核。