CN106157776A - 交互式虚拟分段诊刮术教学系统和教学方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种交互式虚拟分段诊刮术教学系统和教学方法，包括整体外壳、模拟刮宫勺、二维运动定位系统、万向部件、数据信息处理器和显示器；所有部件均置于整体外壳中；模拟刮宫勺插在万向部件中；万向部件带有传感和触觉反馈，夹持在整体外壳的前部中央；数据信息处理器固定在二维运动定位系统上，用于构建虚拟环境和用户交互；模拟刮宫勺具有三个旋转自由度和一个位移自由度，用于对分段诊刮术操作进行模拟。本发明技术方案实现向教与学双方提供仿仿真手术操作模拟装置和教学方法，具有刮勺实时压力计算功能，能够灵敏地捕获操作力度，提供及时的触觉反馈，实现视觉学习，提高学习的效率。

Description

交互式虚拟分段诊刮术教学系统和教学方法

技术领域

本发明涉及医学教学领域，尤其涉及一种交互式虚拟分段诊刮术教学系统和教学方法。

背景技术

分段诊断性分段诊刮术(简称分段诊刮术)是所有临床医学学生必须掌握的临床技能之一，具有很强的临床实用性。传统分段诊刮术的教学工作依靠橡皮模具来完成。指导教师只能通过学生操作步骤、外露的部分刮宫器械对学生的操作进行猜测，进而进行考核和指导，不仅增加了教学难度，降低了教学效率，也使得学生无法得知自己操作是否正确、力度是否适当。因此，现有的教学设备和教学方法使得学生进入临床实践后遇到两方面的问题，一方面不能准确地实施分段诊刮，混淆宫颈或宫腔的标本，给临床诊断带来困难；另一方面是力度不当，轻者会导致病人的强烈不适，重者造成子宫内膜损伤、子宫穿孔等医疗事故，给病人身心带来创伤，无法实现临床教学的预期效果。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种交互式虚拟分段诊刮术教学系统和教学方法，向教与学双方(包括医学生和临床医生)提供仿真的手术操作模拟装置和教学方法，具有刮勺实时压力计算功能，能够灵敏地捕获学习者操作力度，给学习者提供及时的触觉反馈，实现视觉学习，提高学习的效率。

本发明提供的技术方案是：

一种交互式虚拟分段诊刮术教学系统，包括：整体外壳、模拟刮宫勺、二维运动定位系统、万向部件、数据信息处理器和显示器；所述模拟刮宫勺、二维运动定位系统、万向部件、数据信息处理器和显示器均置于整体外壳中；所述模拟刮宫勺插在所述万向部件中；所述万向部件带有传感和触觉反馈，夹持在整体外壳的前部中央；所述数据信息处理器固定在二维运动定位系统上，用于构建虚拟环境和用户交互；所述模拟刮宫勺具有三个旋转自由度和一个位移自由度，用于对分段诊刮术操作进行模拟。

作为优选，所述显示器固定在数据信息处理器上部；所述的模拟刮宫勺的主体部分是由表面粗糙的中空直杆制成，外直径可为1～5厘米，使用不锈钢材质；优选地，外直径和材质与真实手术使用的刮宫勺一致；

作为优选，所述的万向部件由一个带有凹槽的万向球、4-8个均匀分布在万向球内的震荡电机、一对万向球托盘以及相应的一对固定柱组成，其中固定柱固定在底座上，每只固定柱端部固定有相应的万向球托盘，万向球托盘为碗状；万向球托盘罩扣在万向球两端，保证万向球仅能在万向球托盘中进行任意角度的旋转；万向球托盘可从上下包裹固定住万向球；震荡电机围绕模拟刮宫勺，并均匀镶嵌在万向球中，可为4-8个；非接触光学传感器镶嵌在万向球的凹槽中；万向部件固定于整体外壳；

模拟刮宫勺穿插放置在万向球中心；模拟刮宫勺包括中空直杆和端部的发光管；端部的发光管可采用有色LED发光管或红外发光管。电气连接通过模拟刮宫勺内的中空部分完成。

作为优选，所述的二维运动定位系统由放置在模拟刮宫勺尖端前方的摄像机和幕布构成，摄像机和幕布的间距范围为10-50CM；

作为优选，所述的数据信息处理器包括位置计算模块，物理仿真模块和三维渲染模块；位置计算模块接收二维运动定位系统和万向部件发来的信号，整合为模拟刮宫勺位置数据，传送给物理仿真模块和三维渲染模块；物理仿真模块接收模拟刮宫勺位置数据，根据采集好的刮宫手术实际力量，通过物理引擎仿真得到触觉数据，传给万向装置；三维渲染模块接收模拟刮宫勺位置数据，根据采集好的子宫形状数据，实时渲染虚拟场景得到虚拟图像数据，并将结果交由显示器交互显示。

作为优选，所述的显示器接收数据信息处理器发送的虚拟图像数据，呈现子宫和刮勺的动态真实感刮宫手术虚拟场景。

作为优选，所述的整体外壳模拟女性外阴部以及部分躯干，可由硅胶等仿人皮材料制成，外形为女性下半身等比例模型。

本发明还提供一种使用上述交互式虚拟分段诊刮术教学系统的教学操作方法，包括如下步骤：

1)采集刮宫手术实际力量数据和子宫形状数据，作为参照数据；

2)将模拟刮宫勺插在万向部件中；模拟刮宫勺具有三个旋转自由度和一个位移自由度，用于抽插；万向部件带有传感和触觉反馈，用于操作模拟刮宫勺；

3)数据信息处理器接收二维运动定位系统和万向部件发来的信号，获取模拟刮宫勺在整体外壳内部的实时位置信息；

4)物理仿真模块接收模拟刮宫勺的位置数据，根据采集的刮宫手术实际力量数据，通过常用物理引擎计算得到对应的触觉数据；将触觉数据传给万向部件；

常用物理引擎处理包括unity3D、虚幻3等。

5)三维渲染模块接收模拟刮宫勺的位置数据，根据采集的子宫形状数据，通过三维引擎实时渲染虚拟场景得到虚拟图像数据，由显示器交互显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种交互式虚拟分段诊刮术教学系统和教学方法，向教与学双方(包括医学生和临床医生)提供仿真的手术操作模拟装置和教学方法。本发明具有以下优点：

(一)本发明具有实时位置显示功能，能清晰的显示模拟刮宫勺宫颈和宫腔的的位置，向学习者(学生)提供的完整宫腔内部操作过程，实现视觉学习，提高学习的效率。

(二)本发明具有刮勺实时压力计算功能，能够灵敏地捕获学习者操作力度，识别过轻或过重的操作，以免过轻无法刮除病灶，过重增加内膜损伤，减少模拟器具和人体操作的差异，提高学习效果。

(三)本发明具有可为指导者(老师)提供学习者完整的、准确的宫腔内部操作过程，可使指导者准确地判断操作的正确性，提高考核的准确度。同时能使指导者对学习者提供详细、正确的指导。

(四)本发明具有实时触觉反馈机能，能够给学习者提供及时的触觉反馈，加助空间感的培养，且这一触觉反馈由计算机模拟产生，故可根据病灶、部位的变化更换对应的反馈，能够用于多种病灶模型的分段诊刮术学习。

附图说明

图1为本发明提供的交互式虚拟分段诊刮术教学系统的整体结构图；

图2为本发明提供的交互式虚拟分段诊刮术教学系统中的二维运动定位系统的结构图；

图3为本发明提供的交互式虚拟分段诊刮术教学系统中的万向部件结构的侧视图；

图4为本发明实施例中的交互式虚拟分段诊刮术教学系统中的万向部件结构的正视图；

图5为本发明实施例中万向部件中的万向球的形状示意图；

图1～图5中，1—模拟刮宫勺；2—二维运动定位系统；3—万向部件；4—数据信息处理器；5—显示器；6—系统的整体外壳；21—摄像机；22—幕布；31—万向球；321—万向球内表面空腔；32—均匀分布在万向球内表面空腔中的震荡电机；33—万向球托盘；34—与万向球托盘相应的一对固定柱；35—非接触光学传感器；351—具有内表面固定传感器用的凹槽；11—中央孔洞。

图6为本发明实施例中的数据信息处理器模块的结构框图；

其中，41—位置计算模块；42—物理仿真模块；43—三维渲染模块。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种交互式虚拟分段诊刮术教学系统，向教学双方(医学生和临床医生)提供仿真的手术操作模拟装置和教学方法。

本发明的交互式虚拟分段诊刮术教学系统包括模拟刮宫勺，插在万向部件中；能精确测量的二维运动定位系统(作为优选，所述的二维运动定位系统由放置在模拟刮宫勺尖端前方的摄像机和幕布构成)，包裹在整体外壳内；带有传感和触觉反馈的万向部件，夹持在整体外壳前部中央；用于构建虚拟环境和用户交互的数据信息处理器，固定在整体外壳侧边；用于显示虚拟子宫的显示器，固定在处理器上部；整体外壳。在万向部件的限制下，模拟刮宫勺具有全部的三个旋转自由度和一个位移自由度(用于抽插)，这与实际分段诊刮术中的操作自由度对应的，能够真实模拟分段诊刮术的操作。

参照图1，本发明实施例提供的交互式虚拟分段诊刮术教学系统包括模拟刮宫勺1，二维运动定位系统2，万向部件3，数据信息处理器4，显示器5和整体外壳6。

其中，整体外壳6位于整个装置的最外围，向整个装置提供支撑，并给模拟刮宫勺1提供遮光的操作环境。模拟刮宫勺1穿插放置在万象部件3的万向球31的中央孔洞11中。二维运动定位系统2固定在整体外壳6底部，采集模拟刮宫勺1的运动数据，上传至数据信息处理器4的同时，提高操作者的真实感。万向部件3固定于整体外壳6内，给模拟刮宫勺1提供支撑，允许模拟刮宫勺1进行三个自由度的旋转和一个自由度(用于抽插)的位移，这是与实际分段诊刮术的操作相对应的，同时对模拟刮宫勺1的位移和自旋情况进行采集并上传至数据信息处理器4，并接受数据信息处理器4的触觉数据向模拟刮宫勺1进行反馈。数据信息处理器4固定在整体外壳6的内侧边，接收来自万向部件3和三维定位装置7的模拟刮宫勺1运动数据，对操作者的操作进行仿真，传送虚拟图像数据至显示器5，传送触觉数据至万向部件3。显示器5固定在数据信息处理器4上，接受数据信息处理器4的虚拟图像数据，实时显示出来。

如图2所示，所述二维运动定位系统2，包括摄像机21和幕布22。幕布22位于整个装置的中央，固定在整体外壳6内；摄像机21位于幕布22后一侧，固定在整体外壳6底部。摄像机21和幕布22的间距范围为10-50CM。幕布22可接收模拟刮宫勺1端头发射的光束，并显现出来。摄像机21实时拍摄幕布22呈现的画面，传至数据信息处理器4。

如图3所示，所述的万向部件3包括一个万向球31、4-8个均匀分布在万向球内表面空腔321中的震荡电机32、一对万向球托盘33、与万向球托盘相应的一对固定柱34、以及非接触光学传感器35。其中固定柱34的上端、下端分别固定在整体外壳6上，一上一下呈对称位置。每只固定柱34向万向球31的端部分别固定有相应的万向球托盘32，万向球托盘32为碗状；万向球托盘32设有罩，分别扣在万向球31的两端，保证万向球31像人的关节一样，仅能在万向球托盘32中进行任意角度的旋转；非接触光学传感器35镶嵌在万向球的内表面凹槽351中，实时检测模拟刮宫勺1的旋转和移动，上传至数据信息处理器4。

如图4～图5所示，所述的震荡电机32镶嵌在万向球的内表面空腔321内，均匀围绕在模拟刮宫勺1周围，可为4-8个，根据数据信息处理器4的指令，震动相应的震荡电机32，模拟出刮宫勺接触子宫内壁组织的触感。

如图5所示，所述的万向球31为一具有内表面凹槽351、中央孔洞11和若干内表面空腔321的球体。

如图6所示，所述的数据信息处理器4包括位置计算模块41，物理仿真模块42和三维渲染模块43；位置计算模块41接收二维运动定位系统2和万向部件3发来的信号，通过游戏引擎转化为模拟刮宫勺1的位置数据，该数据可以反映模拟刮宫勺1在整体外壳6内部的实时位置信息。位置计算模块41将模拟刮宫勺1的位置数据传送给物理仿真模块42和三维渲染模块43。物理仿真模块42接收模拟刮宫勺1的位置数据，根据采集好的刮宫手术实际力量，通过常用物理引擎处理，如unity3D、虚幻3等，得到对应的触觉数据。触觉数据对应着实际刮宫手术时，所应得到的反馈力量。物理仿真模块42将触觉数据传给万向部件3。三维渲染模块43接收模拟刮宫勺1位置数据，根据采集好的子宫形状数据，通过常用物理引擎，如Bullet、Havok等，实时渲染虚拟场景得到虚拟图像数据。虚拟图像数据是三维的，实时的，即可为学生提供学习辅助，培养空间感和对子宫结构的掌握，又方便指导教师进行考核和指导。三维渲染模块43将虚拟图像数据交由显示器5交互显示。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种交互式虚拟分段诊刮术教学系统，包括：整体外壳、模拟刮宫勺、二维运动定位系统、万向部件、数据信息处理器和显示器；所述模拟刮宫勺、二维运动定位系统、万向部件、数据信息处理器和显示器均置于整体外壳中；所述模拟刮宫勺插在所述万向部件中；所述万向部件带有传感和触觉反馈，夹持在整体外壳的前部中央；所述数据信息处理器固定在二维运动定位系统上，用于构建虚拟环境和实现用户交互操作；所述模拟刮宫勺具有旋转自由度和位移自由度，用于模拟分段诊刮术操作。

2.如权利要求1所述交互式虚拟分段诊刮术教学系统，其特征是，所述模拟刮宫勺包括中空直杆和端部的发光管；所述中空直杆的外直径和材质模拟真实手术使用的刮宫勺；所述端部的发光管采用有色LED发光管或红外发光管；电气连接通过模拟刮宫勺内的中空部分完成。

3.如权利要求1所述交互式虚拟分段诊刮术教学系统，其特征是，所述万向部件由一个带有内表面凹槽和内表面空腔的万向球、镶嵌于凹槽中的非接触光学传感器、多个均匀分布在万向球内表面空腔中的震荡电机、一对万向球托盘、与万向球托盘相对应的一对固定柱组成；所述固定柱固定在底座上，每只固定柱端部固定有相应的万向球托盘；万向球托盘罩扣在万向球两端，使得万向球仅能在万向球托盘中进行任意角度的旋转；所述非接触光学传感器用于检测获得模拟刮宫勺位移和旋转数据，并上传给数据信息处理器。

4.如权利要求3所述交互式虚拟分段诊刮术教学系统，其特征是，所述模拟刮宫勺穿插放置在所述万向球中心。

5.如权利要求3所述交互式虚拟分段诊刮术教学系统，其特征是，所述均匀分布在万向球内表面空腔中的震荡电机为4～8个；所述万向球托盘为碗状。

6.如权利要求1所述交互式虚拟分段诊刮术教学系统，其特征是，所述二维运动定位系统由放置在模拟刮宫勺尖端前方的摄像机和幕布构成，摄像机和幕布的间距范围为10～50CM。

7.如权利要求1所述交互式虚拟分段诊刮术教学系统，其特征是，所述的数据信息处理器包括位置计算模块，物理仿真模块和三维渲染模块；位置计算模块接收二维运动定位系统和万向部件发来的信号，整合为模拟刮宫勺位置数据，传送给物理仿真模块和三维渲染模块；物理仿真模块接收模拟刮宫勺位置数据，根据采集好的刮宫手术实际力量，通过物理引擎仿真得到触觉数据，传给万向装置；三维渲染模块接收模拟刮宫勺位置数据，根据采集好的子宫形状数据，实时渲染虚拟场景得到虚拟图像数据，并将结果交由显示器交互显示。

8.如权利要求1所述交互式虚拟分段诊刮术教学系统，其特征是，所述整体外壳模拟典型女性外阴部和部分躯干。

9.一种利用权利要求1～8所述交互式虚拟分段诊刮术教学系统的交互式虚拟分段诊刮术教学方法，包括如下步骤：

1)采集刮宫手术实际力量数据和子宫形状数据，作为参照数据；

2)将模拟刮宫勺插在万向部件中；模拟刮宫勺具有三个旋转自由度和一个位移自由度，用于抽插；万向部件带有传感和触觉反馈，用于操作模拟刮宫勺；

3)数据信息处理器接收二维运动定位系统和万向部件发来的信号，获取模拟刮宫勺在整体外壳内部的实时位置信息；

4)利用步骤3)获取的模拟刮宫勺的实时位置信息，根据步骤1)采集的刮宫手术实际力量数据，通过物理引擎仿真得到对应的触觉数据；将触觉数据传给万向部件；

5)利用步骤3)获取的模拟刮宫勺的实时位置信息，根据步骤1)采集的子宫形状数据，实时渲染虚拟场景得到虚拟图像数据，由显示器交互显示。

10.如权利要求9所述交互式虚拟分段诊刮术教学方法，其特征是，步骤4)所述物理引擎采用unity3D或虚幻3。