CN103680279A - 膀胱镜手术模拟训练方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种膀胱镜手术模拟训练方法，包括下述步骤：（一）尿道膀胱医学模型构建及编辑：（二）构建系统核心算法库，实现核心功能；（三）构建医学场景脚本；（四）构建医学场景；（五）利用膀胱镜操作台控制虚拟环境中的镜头，模拟镜头进行四个自由度的操作，并将四个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，进行尿道两个弯曲和狭窄检查、病灶检查、面积检查等各种训练，智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。同时提供一种膀胱镜手术模拟训练系统。本发明仿真度高，模拟训练效果好。

Description

膀胱镜手术模拟训练方法及系统

技术领域

本发明涉及医学手术模拟训练领域，特别涉及一种膀胱镜手术模拟训练方法及系统。

背景技术

膀胱镜是内窥镜的一种，膀胱镜手术的目的是了解尿道和膀胱内的情况，如前列腺肥大、膀胱结石、膀胱肿瘤、膀胱炎症等，并进行碎石、肿瘤活检、经尿道膀胱肿瘤切除手术、经尿道前列腺切除手术等。膀胱镜手术模拟训练方法及系统主要通过三维系统与膀胱镜操作台交互，操作者通过监视器观察虚拟手术环境中尿道和膀胱内部的器官、形态、病灶等，在膀胱镜操作台上操作镜头，实现尿道和膀胱内部情况的，并进行碎石、肿瘤活检、经尿道膀胱肿瘤切除手术、经尿道前列腺切除手术训练。目前，国内外还没有专门的膀胱镜手术模拟训练系统，无法实现以下功能：具体包括尿道两个弯曲和狭窄检查，病灶检查，面积检查，膀胱碎石、膀胱肿瘤活检、经尿道膀胱肿瘤切除手术、经尿道前列腺切除手术训练，各种异常判断，智能判断和评分，双屏显示，并可以切换不同角度镜头等，帮助医师进行膀胱镜手术模拟训练，获得和实际手术一样的感受和体验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿真度高，模拟训练效果好的膀胱镜手术模拟训练方法。

本发明的另一目的在于提供实现上述方法的膀胱镜手术模拟训练系统。

本发明的目的通过以下技术方案实现：一种膀胱镜手术模拟训练方法，包括下述步骤：

（一）尿道膀胱医学模型构建及编辑：根据尿道膀胱器官解剖结构，利用各种医学素材构造医学模型，所述医学模型包括尿道膀胱器官模型、病灶模型和器械模型，对该医学模型进行编辑处理，以获得符合要求的医学模型；

（二）构建系统核心算法库，实现核心功能：利用现有通用算法并根据系统需要对算法进行改进，在此基础上构建核心算法库，实现三维系统核心功能，如：几何模型和物理模型的构建、图形渲染、与操作台的数据通信、与数据库的数据交换等；

（三）构建医学场景脚本：通过医学场景脚本文件定义医学模型和器械模型的几何和物理属性，实现程序和数据分离，便于系统维护和管理；

（四）构建医学场景：通过医学场景脚本文件调用相应的医学模型和器械模型构建训练用医学场景；

（五）进行各种训练：

1、膀胱镜探查训练：利用OpenGL创建虚拟环境中的镜头，用膀胱镜操作台控制虚拟环境中的镜头，模拟膀胱镜手术的镜头的四个自由度的运动，并将四个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，进行尿道两个弯曲和狭窄检查、病灶检查、面积检查等各种训练，智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

2、膀胱结石碎石训练：在虚拟环境中创建钬激光生成器，用膀胱镜操作台控制虚拟环境中的钬激光生成器，模拟膀胱镜手术的钬激光生成器的五个自由度的运动，并将五个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，进入膀胱并找到结石后，踩操作台的踏板给钬激光生成器加电，将结石碎掉，在操作过程中进行智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

3、膀胱肿瘤活检训练：在虚拟环境中创建活检钳，用膀胱镜操作台控制虚拟环境中的活检钳，模拟膀胱镜手术的活检钳的五个自由度的运动，并将五个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，进入膀胱并找到肿瘤后，用活检钳抓住肿瘤表面并进行查看，并用活检钳取下肿瘤表面一块样品，在操作过程中进行智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

4、经尿道前列腺切除训练：在虚拟环境中创建电切镜，用膀胱镜操作台控制虚拟环境中的电切镜，模拟膀胱镜手术的电切镜的五个自由度的运动，并将五个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，进入前列腺病灶区，用电切镜在前列腺病灶区按照前列腺切除手术过程进行训练，在操作过程中进行智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

5、经尿道膀胱肿瘤切除模拟训练：在虚拟环境中创建电切镜，用膀胱镜操作台控制虚拟环境中的电切镜，模拟膀胱镜手术的电切镜的五个自由度的运动，并将五个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，进入膀胱肿瘤病灶区，用电切镜在膀胱肿瘤病灶区按照经尿道膀胱肿瘤切除手术过程进行训练，在操作过程中进行智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

步骤（一）中，所述尿道膀胱医学模型是指几何模型，该几何模型是尿道膀胱镜的基础，几何模型主要通过3D建模软件如3D Max、Maya来进行几何模型的构建，然后导出为三角网格或四角网格数据；

所述尿道膀胱医学模型的编辑是将构建的几何模型转换为三角网格或者四角网格数据进行编辑，所述编辑包括增加点、线、面，删除点、线、面，修改模型的形状等，按Mass-Spring（质点弹簧）模型、（FEM）有限元模型等算法对场景进行重构和设置相关参数，从而构建尿道膀胱医学模型的物理模型。

步骤（二）中，构建系统核心算法库，实现核心功能，具体是指：利用OPENGL和仿真贴图算法构建图形渲染核心功能；利用包围盒（AABB）和包围球（OBB）算法，实现碰撞检测功能；利用力计算算法来实现力反馈功能；利用串口通信算法实现操作台的数据通信功能；利用SQL算法实现数据库的数据交换功能。

步骤（三）中，所述医学场景脚本文件通过定义三维几何模型的物理属性如动作、光线、材质、弹性模量，来实现三维几何模型的物理效果。

步骤（四）中，所述构建医学场景具体是指：通过读取医学场景脚本文件来调用建好的各种医学模型，所述医学模型包括器官模型和器械模型，并赋予模型相应的物理属性，构建医学场景。

步骤（五）具体为：

1、膀胱镜探查训练：利用膀胱镜操作台控制模拟镜头进行上下、前后、左右、旋转四个自由度的操作，并将四个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，按照尿道解剖结构驱动虚拟环境中的镜头顺着尿道模型的两个弯曲和狭窄进行病灶检查、面积检查等各种训练，智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

2、膀胱结石碎石训练：在虚拟环境中创建钬激光生成器，用膀胱镜操作台控制虚拟环境中的钬激光生成器，模拟膀胱镜手术的钬激光生成器的五个自由度的运动，并将五个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，进入膀胱并找到结石后，踩操作台的踏板给钬激光生成器加电，将结石碎掉，在操作过程中进行智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

3、膀胱肿瘤活检训练：在虚拟环境中创建活检钳，用膀胱镜操作台控制虚拟环境中的活检钳，模拟膀胱镜手术的活检钳的五个自由度的运动，并将五个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，进入膀胱并找到肿瘤后，用活检钳抓住肿瘤表面并进行查看，并用活检钳取下肿瘤表面一块样品，在操作过程中进行智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

4、经尿道前列腺切除训练：在虚拟环境中创建电切镜，用膀胱镜操作台控制虚拟环境中的电切镜，模拟膀胱镜手术的电切镜的五个自由度的运动，并将五个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，进入前列腺病灶区，用电切镜在前列腺病灶区按照经尿道前列腺切除手术过程进行训练，在操作过程中进行智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

5、经尿道膀胱肿瘤切除模拟训练：在虚拟环境中创建电切镜，用膀胱镜操作台控制虚拟环境中的电切镜，模拟膀胱镜手术的电切镜的五个自由度的运动，并将五个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，进入膀胱肿瘤病灶区，用电切镜在膀胱肿瘤病灶区按照经尿道膀胱肿瘤切除手术过程进行训练，在操作过程中进行智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

一种实现上述方法的膀胱镜手术模拟训练系统，包括膀胱镜操作台、电控器、数据接收处理设备、尿道膀胱三维系统服务器、显示设备；所述膀胱镜操作台与电控器相连接，将膀胱镜操作台机械动作转换为电信号；所述电控器和数据接收处理设备相连接，将电信号转化为计算机可以识别的数据；所述数据接收处理设备与尿道膀胱三维系统服务器相连接，将所获得的数据转化为驱动虚拟环境中的镜头、钬激光生成器、活检钳、电切镜进行各种运动和动作；电控器和数据接收处理设备相连接；尿道膀胱三维系统服务器与两个显示设备相连接，虚拟场景通过显示器进行显示。

所述膀胱镜操作台由操作杆、套筒、叉形支柱和底座构成。

所述电控器用于实现膀胱镜操作台的机械动作转化为电信号，电控器采用完全实时模式，避免了膀胱镜手术模拟训练过程的操作和动作的延迟和跳动，通过膀胱镜操作台的五个自由度（上下、前后、左右、旋转、张开闭合或者加电）的动作编码盘将机械动作转化为电信号，由接口电路输出，经过模/数转换器将模拟量转换为数字量；所述的数据接收处理设备将电信号数字量转化为计算机可以识别的数据；根据医学解剖结构通过专业建模工具构建三维医学模型，并通过尿道膀胱三维系统服务器构建尿道膀胱镜虚拟环境，包括虚拟器械和虚拟器官等；然后通过尿道膀胱三维系统服务器控制虚拟环境中的镜头、钬激光生成器、活检钳、电切镜运动动作，进行尿道两个弯曲和狭窄检查、病灶检查、面积检查、膀胱碎石、膀胱肿瘤活检、经尿道膀胱肿瘤切除手术、经尿道前列腺切除手术等各种训练，智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头等。

所述尿道膀胱三维系统服务器与两个显示设备相连接，具体为：采用MFC框架和OpenGL标准实现膀胱镜手术模拟训练场景的可视化，并通过两个显示装置，例如显示器或投影仪分别显示主界面和尿道膀胱镜手术训练互动操作过程。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明支持自主研发的3D终端设备（操作台），也支持目前主流的3D终端设备（操作台），可以支持任意自由度（DOF），操作杆支持换操作头，也可以换整个操作杆，因此，本发明的适用性良好。

2、本发明同时支持微软的3D DirectX和开源OpenGL等3D接口标准，支持跨平台的开发和应用，如可以应用在Windows、Linux等操作系统中。

3、本发明引入了医学模型描述语言，实现程序和数据分离，便于系统维护和管理。

4、本发明充分利用了GPU计算能力，将运算量大的计算放入到GPU中，运行速度更快。

5、本发明同时支持多种手术模拟训练，仿真度高，模拟训练效果好。

附图说明

图1是本发明膀胱镜手术模拟训练系统硬件结构示意图；

图2-4是图1所示本发明的操作台结构示意图；

图5是图4所示膀胱镜操作杆结构示意图；

图6是本发明的尿道膀胱三维系统的流程图；

图7是本发明的尿道膀胱三维系统的结构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本实发明的实施方式不限于此。

实施例1

图1示出了本发明的具体结构，由图1可见，本发明膀胱镜手术模拟训练系统包括5个部分：膀胱镜操作台、电控器、数据接收处理设备、尿道膀胱三维系统服务器、显示设备；所述数据接收处理设备用于实现，所述膀胱镜操作台与电控器相连接，所述电控器与数据接收处理设备相连接，所述电控器与尿道膀胱三维系统服务器相连接，用以实现数据由膀胱镜操作台来驱动虚拟环境中的镜头运行；尿道膀胱三维系统服务器与两个显示设备相连接。尿道膀胱三维系统流程图如图6所示，尿道膀胱三维系统结构图如图7所示。

所述膀胱镜操作台的结构如图2-5所示，操作台包括安装底座1、叉形支柱2、套筒3（内装有磁环）和膀胱镜操作杆4。叉形支柱2和安装底座1旋转连接，套筒3（内装有磁环）和叉形支柱2旋转连接，膀胱镜操作杆4可以插入套筒3内，并在套筒3内进行前后维运动，驱动套筒3进行上下、左右维的运动，膀胱镜操作杆4可以自转，手柄5可以张开和闭合，按压帽盖13可以将手柄5从膀胱镜操作杆4中卸下，进行器械的切换。膀胱镜操作杆4包括手柄5、轴6和7、连杆8、弹簧9、位置传感器10、外壳11、止档座12、帽盖13、弹簧座14、弹簧15、锁销16、连接杆17、位置传感器18、磁尺传感器19。膀胱镜操作杆4可以插入套筒3内，膀胱镜操作杆4在套筒3内前后运动过程中，通过磁尺传感器19和套筒3内的磁环的磁效应获得位置脉冲，从而获得前后维位置信息。膀胱镜操作杆4驱动套筒3进行上下、左右维的运动，通过套筒3内的安装的编码盘和叉形支柱2底部安装的编码盘转换为上下、左右维位置信息。膀胱镜操作杆4自转角度通过位置传感器18转换为膀胱镜操作杆4自转角度信息。手柄5张开闭合动作通过位置传感器10转换为手柄张开闭合角度信号，从而获得手柄张开闭合的角度信息。手柄5带动连接杆17平动，通过位置传感器18得到手柄5在膀胱镜操作杆中的相对位移信息。按压帽盖13可以将手柄5从膀胱镜操作杆4中卸下，卸下的动作通过位置传感器18转换为手柄5切换信号，从而实现器械的切换

所述膀胱镜操作台与电控器相连接，将膀胱镜操作台机械动作转换为电信号；

所述电控器用于实现膀胱镜操作台的机械动作转化为电信号，电控器采用完全实时模式，避免了膀胱镜手术模拟训练过程的操作和动作的延迟和跳动，通过膀胱镜操作台的五个自由度（上下、前后、左右、旋转、张开闭合或者加电）的动作编码盘将机械动作转化为电信号，由接口电路输出，经过模/数转换器将模拟量转换为数字量；所述的数据接收处理设备将电信号数字量转化为计算机可以识别的数据；根据医学解剖结构通过专业建模工具构建三维医学模型，并通过尿道膀胱三维系统服务器构建尿道膀胱镜虚拟环境，包括虚拟器械和虚拟器官等；然后通过尿道膀胱三维系统服务器控制虚拟环境中的镜头、钬激光生成器、活检钳、电切镜运动动作，进行尿道两个弯曲和狭窄检查、病灶检查、面积检查、膀胱钬激光碎石、膀胱肿瘤活检、经尿道膀胱肿瘤切除手术、经尿道前列腺切除手术等各种训练，智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头等。

所述电控器和数据接收处理设备相连接，将电信号转化为计算机可以识别的数据；

所述尿道膀胱三维系统服务器与两个显示设备相连接，具体为：采用MFC框架和OpenGL标准实现膀胱镜手术模拟训练场景的可视化，并通过两个显示装置，例如显示器或投影仪分别显示主界面和尿道膀胱镜手术训练互动操作过程。

对于尿道膀胱镜手术训练场景的显示，所述显示设备需要考虑显卡的配置，显卡一般有Nvadia和ATM两种类型，对于显卡的选择，一般要考虑显存、全屏抗锯齿等。

实施例2

利用实施例1所述系统实现的膀胱镜手术模拟训练方法，包括下述步骤：

（一）尿道膀胱医学模型构建及编辑：根据尿道膀胱器官解剖结构，利用各种医学素材构造医学模型，所述医学模型包括尿道膀胱器官模型、病灶模型和器械模型，对该医学模型进行编辑处理，以获得符合要求的医学模型；

所述尿道膀胱医学模型是指几何模型，该几何模型是尿道膀胱镜的基础，几何模型主要通过3D建模软件如3D Max、Maya来进行由点线面组成的几何模型的构建，然后导出为三角网格或四角网格数据；

所述尿道膀胱医学模型的编辑是将构建的几何模型转换为三角网格数据或四角网格进行编辑，所述编辑包括增加点、线、面，删除点、线、面，修改模型的形状等，按Mass-Spring、有限元等算法对场景进行重构和设置相关参数。

Mass-Spring（质点弹簧）模型是指将整个形变的物理特性离散到各个节点和节点之间的弹簧上，并为各节点建立物理运动方程，从而实现物体的形变模拟（具体见2007年28卷《计算机工程与设计》的P664-667，惠卫华、关正西的论文《基于质点-弹簧模型的布料仿真研究》有关于将几何模型赋予质点-弹簧模型（Mass-Spring）物理属性的方法说明）；（FEM）有限元模型将人体软组织离散为若干单元（不是点），各个单元通过其边界互连，通过求解一个有限的问题来确定问题的无限解（见2009年第2卷《计算机应用》P568-573，叶秀芬、乔冰、郭书祥、郭庆昌的论文《虚拟手术仿真中人体软组织形变技术的研究》）。

（二）构建系统核心算法库，实现核心功能：利用现有通用算法并根据系统需要对算法进行改进，在此基础上构建核心算法库，实现三维系统核心功能，如：几何模型和物理模型的构建、图形渲染、与操作台的数据通信、与数据库的数据交换等；

利用OPENGL的仿真贴图算法构建图形渲染核心功能；利用包围盒和包围球等核心算法实现碰撞检测功能；利用力计算算法来实现力反馈功能；利用串口通信算法实现操作台的数据通信功能；利用SQL算法实现数据库的数据交换功能。

OPENGL的仿真贴图算法的一般包括创建纹理图像、设置贴图方式、进行纹理映射，具体见OpenGL Architecture Review Board编写的OpenGLProgramming Guide Sixth Edition（OpenGL编程指南（第六版），P369Texture Mapping）

力计算算法一种模型是基于质点弹簧系统的力反馈模型。其计算公式如（1）：

$M\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}+D\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{Kx}=F\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，M是该面的质量，D是阻尼系数，K是弹簧的弹性系数，x是某时刻弹簧缩放的位移，F(t)是某时刻的总反馈力。具体见《电子产品可靠性与环境试验》，2011年第29卷第4期，黄建新等《基于OpenGL的3D医学引擎研究》。

串口通信算法，本系统采用RS-232串口通信标准进行数据通信，具体见百度百科RS-232，http://baike.baidu.com/view/112004.htm。

SQL算法，本系统采用SQL标准进行数据库的数据交换，具体见百度百科结构化查询语言http://baike.baidu.com/view/595350.htm?fromtitle=sql&fromid=86007&type=search

（三）构建医学场景脚本：通过医学场景脚本文件定义医学模型和器械模型的几何和物理属性，实现程序和数据分离，便于系统维护和管理；

所述医学场景脚本文件通过定义三维几何模型的物理属性如动作、光线、材质、弹性模量，通过程序来调用定义好的物理属性算法来实现三维几何模型的物理效果。

（四）构建医学场景：通过医学场景脚本文件调用相应的医学模型和器械模型构建训练用医学场景；

通过读取医学场景脚本文件来调用建好的各种医学模型，所述医学模型包括器官模型和器械模型，并赋予模型相应的物理属性，构建和临床手术基本一样的医学场景，医学场景包括尿道（两个弯曲和狭窄、精阜、前列腺）、膀胱、两个输尿管口、膀胱结石、膀胱肿瘤。

（五）利用OpenGL创建虚拟环境中的镜头，具体实现是创建一个相机类，先定义设置好相机镜头在世界坐标系中的坐标，镜头所望的方向的一点，镜头上方一坐标，然后计算出初始的u、v、n单位三个向量（相机注视的向量n、相机的上方向向量v、相机的右方向向量u），相机类可以实现的操作有平移和旋转，以镜头为中心有上述三个两两垂直的向量作为坐标轴，一共有三个平移和三个旋转操作，也就是六个自由度，包括翻滚角，偏航角，俯仰角等。具体参见openGL中camera类的设计以及使用http://blog.csdn.net/hobbit1988/article/details/7956838。

然后用膀胱镜操作台控制虚拟环境中的镜头，模拟镜头进行四个自由度的操作，并将四个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，进行尿道两个弯曲和狭窄检查、病灶检查、面积检查等各种训练，智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

尿道两个弯曲和狭窄检查是通过操作真实器械驱动虚拟场景中虚拟镜头沿着尿道前进，根据尿道的解剖结构控制虚拟镜头从初始位置的90度位置，逐步平，成S形经过两个弯曲和狭窄。

病灶检查是用虚拟镜头对准膀胱结石、膀胱肿瘤，如果符合规定的距离和方位，系统提示找到了膀胱结石、膀胱肿瘤。

面积探查主要用虚拟镜头在膀胱内按膀胱三角（包括双输尿管口）－后壁－侧壁－顶壁－前壁的顺序逐一观察，根据虚拟镜头查找范围统计探查到膀胱的面积。

智能判断和评分包括虚拟镜头穿过尿道壁、膀胱壁系统会自动提示，镜头找到膀胱结石、膀胱肿瘤系统会提示找到及找到的个数，训练结束后，系统根据评分标准对训练进行评分。

可以切换不同角度镜头是指系统可以有0、12、30、70度镜的切换。

实施例3

本实施例除下述特征外与实施例2相同。

利用实施例1所述系统实现的膀胱钬激光碎石模拟训练方法：

在虚拟环境中创建钬激光生成器，具体实现是先创建一个5个自由度器械抽象类，该类包括器械在三维空间的位置、方位和动作信息，在此基础上再创建一个钬激光生成器，继承抽象类，用一个脚本文件来定义虚拟环境中的钬激光生成器属性和动作，用膀胱镜操作台控制虚拟环境中的钬激光生成器，模拟膀胱镜手术的钬激光生成器的五个自由度的运动，并将五个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，进入膀胱并找到结石后，踩操作台的踏板给钬激光生成器加电，将结石碎掉，在操作过程中进行智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

实施例4

本实施例除下述特征外与实施例2相同。

利用实施例1所述系统实现的膀胱肿瘤活检模拟训练方法：

在虚拟环境中创建活检钳，具体实现是先创建一个5个自由度器械抽象类，该类包括器械在三维空间的位置、方位和动作信息，在此基础上再创建一个活检钳，继承抽象类，用一个脚本文件来定义虚拟环境中的活检钳属性和动作，用膀胱镜操作台控制虚拟环境中的活检钳，模拟膀胱镜手术的活检钳的五个自由度的运动，并将五个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，进入膀胱并找到肿瘤后，用活检钳抓住肿瘤表面并进行查看，并用活检钳取下肿瘤表面一块样品，在操作过程中进行智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

实施例5

本实施例除下述特征外与实施例2相同。

利用实施例1所述系统实现的经尿道前列腺切除模拟训练方法：

在虚拟环境中创建电切镜，具体实现是先创建一个5个自由度器械抽象类，该类包括器械在三维空间的位置、方位和动作信息，在此基础上再创建一个电切镜，继承抽象类，用一个脚本文件来定义虚拟环境中的电切镜属性和动作，用膀胱镜操作台控制虚拟环境中的电切镜，模拟膀胱镜手术的电切镜的五个自由度的运动，并将五个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，进入前列腺病灶区，用电切镜在前列腺病灶区按照经尿道前列腺切除手术过程进行训练，在操作过程中进行智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

实施例6

本实施例除下述特征外与实施例2相同。

利用实施例1所述系统实现的经尿道膀胱肿瘤切除模拟训练方法：

在虚拟环境中创建电切镜，具体实现是先创建一个5个自由度器械抽象类，该类包括器械在三维空间的位置、方位和动作信息，在此基础上再创建一个电切镜，继承抽象类，用一个脚本文件来定义虚拟环境中的电切镜属性和动作，用膀胱镜操作台控制虚拟环境中的电切镜，模拟膀胱镜手术的电切镜的五个自由度的运动，并将五个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，进入膀胱肿瘤病灶区，用电切镜在膀胱肿瘤灶区按照经尿道膀胱肿瘤切除手术过程进行训练，在操作过程中进行智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种膀胱镜手术模拟训练方法，其特征在于，包括下述步骤：

（一）尿道膀胱医学模型构建及编辑：根据尿道膀胱器官解剖结构，利用各种医学素材构造医学模型，所述医学模型包括尿道膀胱器官模型、病灶模型和器械模型，对该医学模型进行编辑处理，以获得符合要求的医学模型；

（二）构建系统核心算法库，实现核心功能：利用现有通用算法并根据系统需要对算法进行改进，在此基础上构建核心算法库，实现三维系统核心功能，如：几何模型和物理模型的构建、图形渲染、与操作台的数据通信、与数据库的数据交换等；

（三）构建医学场景脚本：通过医学场景脚本文件定义医学模型和器械模型的几何和物理属性，实现程序和数据分离，便于系统维护和管理；

（四）构建医学场景：通过医学场景脚本文件调用相应的医学模型和器械模型构建训练用医学场景；

（五）利用OpenGL创建虚拟环境中的镜头，用膀胱镜操作台控制虚拟环境中的镜头，模拟镜头进行四个自由度的操作，并将四个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，进行尿道两个弯曲和狭窄检查、病灶检查、面积检查等各种训练，智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

2.根据权利要求1所述的膀胱镜手术模拟训练方法，其特征在于，步骤（一）中，所述尿道膀胱医学模型是指几何模型，该几何模型是尿道膀胱镜的基础，几何模型主要通过3D建模软件如3D Max、Maya来进行几何模型的构建，然后导出为三角网格或四角网格数据；

所述尿道膀胱医学模型的编辑是将构建的几何模型转换为三角网格或四角网格数据进行编辑，所述编辑包括增加点、线、面，删除点、线、面，修改模型的形状等，按Mass-Spring、有限元等算法对场景进行重构和设置相关参数。

3.根据权利要求1所述的膀胱镜手术模拟训练方法，其特征在于，步骤（二）中，构建系统核心算法库，实现核心功能，具体是指：利用OPENGL和仿真贴图算法构建图形渲染核心功能；用包围盒和包围球等核心算法实现碰撞检测功能；利用力计算算法来实现力反馈功能；利用串口通信算法实现操作台的数据通信功能；利用SQL算法实现数据库的数据交换功能。

4.根据权利要求1所述的膀胱镜手术模拟训练方法，其特征在于，步骤（三）中，所述医学场景脚本文件通过定义三维几何模型的物理属性如动作、光线、材质、弹性模量，来实现三维几何模型的物理效果。

5.根据权利要求1所述的膀胱镜手术模拟训练方法，其特征在于，步骤（四）中，所述构建医学场景具体是指：通过读取医学场景脚本文件来调用建好的各种医学模型，所述医学模型包括器官模型和器械模型，并赋予模型相应的物理属性，构建医学场景。

6.根据权利要求1所述的膀胱镜手术模拟训练方法，其特征在于，步骤（五）具体为：利用膀胱镜操作台控制模拟镜头进行上下、前后、左右、旋转四个自由度的操作，并将四个自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，按照医学解剖和临床要求虚拟环境中的镜头进行尿道两个弯曲和狭窄检查、病灶检查、面积检查等各种训练，智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头。

7.一种实现权利要求1-6任一项所述方法的膀胱镜手术模拟训练系统，其特征在于，包括膀胱镜操作台、电控器、数据接收处理设备、尿道膀胱三维系统服务器、显示设备；所述膀胱镜操作台与数据接收处理设备相连接，所述电控器与尿道膀胱三维系统服务器相连接，用以实现数据由膀胱镜操作台来驱动虚拟环境中的镜头运行；尿道膀胱三维系统服务器与两个显示设备相连接；膀胱镜操作台和电控器相连接。

8.根据权利要求7所述的膀胱镜手术模拟训练系统，其特征在于，所述膀胱镜操作台与电控器相连接，膀胱镜操作台由操作杆、套筒、叉形支柱和底座构成，操作杆在操作时插入套筒中，驱动套筒和叉形支柱进行转动。

9.根据权利要求8所述的膀胱镜手术模拟训练系统，其特征在于，所述电控器用于实现膀胱镜操作台的机械动作转化为电信号，电控器采用完全实时模式，避免了膀胱镜手术模拟训练过程的操作和动作的延迟和跳动；利用膀胱镜操作台的五个自由度（上下、前后、左右、旋转、张开闭合或者加电）的动作编码盘将机械动作转化为电信号，由接口电路输出，经过模/数转换器将模拟量转换为数字量；根据医学解剖结构通过专业建模工具构建三维医学模型，并通过尿道膀胱三维系统服务器构建尿道膀胱镜虚拟环境，包括虚拟器械和虚拟器官等；然后通过尿道膀胱三维系统服务器控制虚拟环境中的镜头运动，并进行尿道两个弯曲和狭窄检查、病灶检查、面积检查等各种训练，智能判断和评分，并可以切换不同角度镜头等；还包括膀胱碎石、膀胱肿瘤活检、经尿道膀胱肿瘤切除手术、经尿道前列腺切除手术等训练。

10.根据权利要求9所述的膀胱镜手术模拟训练系统，其特征在于，所述尿道膀胱三维系统服务器与两个显示设备相连接，具体为：采用MFC框架和OpenGL标准实现膀胱镜手术模拟训练场景的可视化，并通过两个显示装置，如显示器或投影仪分别显示主界面和尿道膀胱镜手术训练互动操作过程。

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