CN104916184A - 一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统及其训练方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统及其训练方法，包括1个主节点和多个与主节点同步通讯连接的子节点，其中，所述主节点和子节点均包括力触觉交互装置、软组织削切仿真模块和真实感实时绘制模块，通过主力触觉交互装置、主软组织削切仿真模块和主真实感实时绘制模块记录主节点上培训的虚拟手术操作过程，实时地将医师的手术操作映射到各个子节点中，通过子节点上的子力触觉交互装置让受培训医生感受到手术过程。同时采用一种模型的差分编码算法，使各个子节点能够快速的得到三维手术模型。避免在病人身上训练高难度的手术，缩短受训医生的学习曲线和训练成本，促进手术软组织切割技术的普及和提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统及其训练方法，属于计算机应用技术中的虚拟现实技术领域。
背景技术
目前的类似于肿瘤软组织切割大多只能依靠术者经验和解剖知识判断肿瘤切除程度。统计表明，约有20%病例术后存在病灶残留或由于损伤了正常神经结构而引起偏瘫、失语等并发症。同时受训医生的培训过程也十分漫长，成本很高，在学习过程中普遍存在着风险大、成长周期长、实施困难等问题。因此目前迫切需要一种有效的虚拟手术模拟训练系统，以避免在病人身上训练高难度的手术，同时尽量缩短受训医生的学习曲线和成本，促进手术软组织切割技术的普及和提高。
有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统及其训练方法，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统及其训练方法，避免在病人身上训练高难度的手术，缩短受训医生的学习曲线和训练成本，促进手术软组织切割技术的普及和提高。
为了实现上述目的，本发明的解决方案是：
一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统，包括1个主节点和多个与主节点同步通讯连接的子节点，其中，所述主节点包括：
主力触觉交互装置：用于控制主节点中虚拟手术器械的位置和切割方向，并获取主软组织削切仿真模块在削切过程中计算得到的反馈力；
主软组织削切仿真模块：通过软组织的网格变形来实现软组织削切模拟，并计算得到削切过程中的反馈力，将主真实感实时绘制模块的帧缓存数据连同主力触觉交互装置的力触觉参数和反馈力发送给子软组织削切仿真模块；
主真实感实时绘制模块：实时地对虚拟手术场景进行渲染，增强虚拟手术的沉浸感。
所述子节点包括：
子力触觉交互装置： 获取由子软组织削切模块发送来的力触觉参数，包括位置和反馈力的数值，来引导受训医生进行手术体验；
子软组织削切仿真模块：接收到主软组织削切仿真模块发送的主真实感实时绘制模块的帧缓存数据和主力触觉交互装置的力触觉参数后，一方面将帧缓存数据通过子真实感实时绘制模块进行实时显示，另一方面将主力触觉交互装置的力触觉参数发送给子力触觉交互装置；
子真实感实时绘制模块：根据主真实感实时绘制模块的帧缓存数据绘制当前场景，增强虚拟手术的沉浸感。
上述面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统的训练方法，包括如下步骤：
1）初始化虚拟手术模拟训练系统的主节点和各个子节点，并同步各个子节点与主节点的数据；
2）培训医生通过主力触觉交互装置控制软组织削切仿真模块中的虚拟手术器械动作，虚拟手术器械作用在软组织模型上，实现虚拟手术操作，主真实感实时绘制模块实时显示整个虚拟手术操作过程，主软组织削切仿真模块同时将虚拟手术操作过程中的当前画面（帧缓存数据）以及主力触觉交互装置的当前力触觉参数以阻塞式套接字的方式传递给各个子节点的子软组织削切仿真模块；
3）各个子节点的子软组织削切仿真模块接收到主软组织削切仿真模块发送的当前主真实感实时绘制模块帧缓存数据和主力触觉交互装置的力触觉参数后，一方面将帧缓存数据通过子真实感实时绘制模块进行实时显示，另一方面将主力触觉交互装置的力触觉参数发送给子力触觉交互装置，使子力触觉交互装置根据接收到的参数自动实现手术动作，受训医生根据子力触觉交互装置的动作自动模拟虚拟手术机械在软组织模型的手术过程，实现培训的目的。
作为优选，各个子节点与主节点的软组织模型数据同步使用Rsync算法，采用差分传输的方式实现。
作为优选，所述软组织模型通过四面体数据和表面三角网格实现。
作为优选，步骤2）所述的视点参数包括当前视点位置和视线的方向向量；力触觉参数包括虚拟手术器械的位置向量，旋转角度，主力触觉交互设备各个节点的自由度，力度值等。
本发明所述的面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统及其训练方法，通过主力触觉交互装置、主软组织削切仿真模块和主真实感实时绘制模块记录主节点上培训的虚拟手术操作过程，实时地将医师的手术操作映射到各个子节点中，通过子节点上的子力触觉交互装置让受培训医生感受到手术过程。同时采用一种模型的差分编码算法，使各个子节点能够快速的得到三维手术模型。避免在病人身上训练高难度的手术，缩短受训医生的学习曲线和训练成本，促进手术软组织切割技术的普及和提高。
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为本实施例的面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统结构示意图；
图2为本实施例的基于四面体的最小分裂示意图。
具体实施方式
一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统，包括1个主节点1和多个与主节点同步通讯连接的子节点2，其中，所述主节点1包括：
主力触觉交互装置11：用于控制主节点1中虚拟手术器械的位置和切割方向，并获取主软组织削切仿真模块12在削切过程中计算得到的反馈力；
主软组织削切仿真模块12：通过软组织的网格变形来实现软组织削切模拟，并计算得到削切过程中的反馈力，将主真实感实时绘制模块13的帧缓存数据连同主力触觉交互装置11的力触觉参数和反馈力发送给子软组织削切仿真模块22；
主真实感实时绘制模块13：实时地对虚拟手术场景进行渲染，增强虚拟手术的沉浸感。
所述子节点2包括：
子力触觉交互装置21： 获取由子软组织削切模块22发送来的力触觉参数，包括位置和反馈力的数值，来引导受训医生进行手术体验；
子软组织削切仿真模块22：接收到主软组织削切仿真模块12发送的主真实感实时绘制模块13的帧缓存数据和主力触觉交互装置11的力触觉参数后，一方面将帧缓存数据通过子真实感实时绘制模块23进行实时显示，另一方面将主力触觉交互装置11的力触觉参数发送给子力触觉交互装置21；
子真实感实时绘制模块23：根据主真实感实时绘制模块13的帧缓存数据绘制当前场景，增强虚拟手术的沉浸感。
本实施例的主节点1中的主软组织削切仿真模块12和主真实感实时绘制模块13通过一台具有Core i7 2.67GHz 的CPU、 8GB内存、Nvidia GeForce GTX560显示芯片、操作系统为Windows 7的计算机实现，子节点2中的子软组织削切仿真模块22和子真实感实时绘制模块23通过一台具有Core i5 3.20GHz 的CPU、 24GB内存、Nvidia GeForce GTX570显示芯片、操作系统为Windows 7的计算机实现，主力触觉交互装置11和子力触觉交互装置21采用Phantom Omni力触觉设备。主节点1与子节点2间通过百兆带宽的局域网连接通信。
上述面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统的训练方法，包括如下步骤：
步骤1、启动虚拟手术模拟训练系统的主节点1和各个子节点2，并进行初始化：包括初始化主力触觉交互装置11、主软组织削切仿真模块12、主真实感实时绘制模块13、子力触觉交互装置21、子软组织削切仿真模块22和子真实感实时绘制模块23；子节点2使用Rsync算法，采用差分传输的方式将本次虚拟手术培训的软组织模型同步到本机上，每个软组织模型包括四面体体数据和表面三角网格。
步骤2、完成数据同步后，培训医生在主节点1上进行手术操作，各个子节点2导入本次虚拟手术培训的软组织模型，培训医生使用主力触觉交互装置11对三维体数据模型进行软组织的削切操作；主软组织削切仿真模块12采用最小四面体网格分裂算法进行软组织的拓扑变形，并计算削切过程中的反馈力，图2展示了一种切割后的四面体的分裂方法。图2中的原始四面体由顶点0，1，3，2组成，手术刀在边E03中的切割产生4个新顶点：4，6，7，5。首先将原始的四面体分割成右侧的4个多面体。其中顶点3，4，6，7和顶点6，0，7，5组成的多面体已经构成了四面体无需继续分裂。把顶点3，2，1，7，6组成的五面体继续进行分裂，连接顶点2，7产生新边E27，生成顶点2，6，7，3组成的四面体和由顶点2，3，1，7组成的四面体。同样把顶点2，0，1，7，6组成的五面体继续进行分裂，连接顶点2，7产生新边E27，生成由顶点2，0，1，7组成的四面体和由顶点2，0，7，6组成的四面体。这样原始的四面体分裂后将产生4个新顶点，14条新边，16个新面和6个新的四面体。四面体分裂后表面三角网格进行分裂，之后调用主真实感实时绘制模块13对手术场景进行绘制。
步骤3、主真实感实时绘制模块13实时地对虚拟手术场景进行渲染，增强虚拟手术的沉浸感，主软组织削切仿真模块12实时的记录主力触觉交互设备11的设备参数，包括系统里虚拟手术器械的位置向量，旋转角度，主力触觉交互设备各个节点的自由度，力度值。采用阻塞式套接字(Socket)的方式把设备参数连同主真实感实时绘制模块13的帧缓存数据发送给子节点2中的子软组织削切仿真模块22。
步骤4、各个子节点2的子软组织削切仿真模块22接收到主软组织削切仿真模块12发送的当前主真实感实时绘制模块13帧缓存数据和主力触觉交互装置11的力触觉参数后，一方面将帧缓存数据通过子真实感实时绘制模块23进行实时显示，另一方面将主力触觉交互装置11的力触觉参数发送给子力触觉交互装置21，子力触觉交互装置21使用接收到的主力触觉交互装置11的参数来更新本节点的设备参数，使子力触觉交互装置21根据接收到的参数自动实现手术动作，受训医生根据子力触觉交互装置的动作自动模拟虚拟手术机械在软组织模型的手术过程，实现培训的目的。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (5)
1.一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统，其特征在于：包括1个主节点和多个与主节点同步通讯连接的子节点，其中，所述主节点包括：
主力触觉交互装置：用于控制主节点中虚拟手术器械的位置和切割方向，并获取主软组织削切仿真模块在削切过程中计算得到的反馈力；
主软组织削切仿真模块：通过软组织的网格变形来实现软组织削切模拟，并计算得到削切过程中的反馈力，将主真实感实时绘制模块的帧缓存数据连同主力触觉交互装置的力触觉参数和反馈力发送给子软组织削切仿真模块；
主真实感实时绘制模块：实时地对虚拟手术场景进行渲染，增强虚拟手术的沉浸感；
所述子节点包括：
子力触觉交互装置： 获取由子软组织削切模块发送来的力触觉参数，包括位置和反馈力的数值，来引导受训医生进行手术体验；
子软组织削切仿真模块：接收到主软组织削切仿真模块发送的主真实感实时绘制模块的帧缓存数据和主力触觉交互装置的力触觉参数后，一方面将帧缓存数据通过子真实感实时绘制模块进行实时显示，另一方面将主力触觉交互装置的力触觉参数发送给子力触觉交互装置；
子真实感实时绘制模块：根据主真实感实时绘制模块的帧缓存数据绘制当前场景，增强虚拟手术的沉浸感。
2.如权利要求1所述的一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统的训练方法，其特征在于包括如下步骤：
1）初始化虚拟手术模拟训练系统的主节点和各个子节点，并同步各个子节点与主节点的数据；
2）培训医生通过主力触觉交互装置控制软组织削切仿真模块中的虚拟手术器械动作，虚拟手术器械作用在软组织模型上，实现虚拟手术操作，主真实感实时绘制模块实时显示整个虚拟手术操作过程，主软组织削切仿真模块同时将虚拟手术操作过程中的当前画面以及主力触觉交互装置的当前力触觉参数以阻塞式套接字的方式传递给各个子节点的子软组织削切仿真模块；
3）各个子节点的子软组织削切仿真模块接收到主软组织削切仿真模块发送的当前主真实感实时绘制模块帧缓存数据和主力触觉交互装置的力触觉参数后，一方面将帧缓存数据通过子真实感实时绘制模块进行实时显示，另一方面将主力触觉交互装置的力触觉参数发送给子力触觉交互装置，使子力触觉交互装置根据接收到的参数自动实现手术动作，受训医生根据子力触觉交互装置的动作自动模拟虚拟手术机械在软组织模型的手术过程，实现培训的目的。
3.如权利要求2所述的一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统的训练方法，其特征在于：各个子节点与主节点的软组织模型数据同步使用Rsync算法，采用差分传输的方式实现。
4.如权利要求2所述的一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统的训练方法，其特征在于：所述软组织模型通过四面体数据和表面三角网格实现。
5.如权利要求2所述的一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练系统的训练方法，其特征在于：步骤2）所述的视点参数包括当前视点位置和视线的方向向量；力触觉参数包括虚拟手术器械的位置向量，旋转角度，主力触觉交互设备各个节点的自由度，力度值。
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