CN109065147A - 医学数字化3d模型人体手术模拟人机互动系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统，包括数据导入模块、三维建模模块、显示模块、人机交互模块和主机，所示数据导入模块用于导入患者的影像检查数据；三维建模模块建立虚拟手术室和手术器械的三维模型以及建立虚拟手的三维模型，根据患者的影响检查数据建立虚拟手术部位的三维模型；人机交互模块用于实现操作者通过交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，模拟真实的手术过程；主机用于对数据进行处理。通过人机交互模块实现交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，方便医生进行手术模拟训练，提高沉浸感，能够帮助受训医生更好地掌握手术要领，规范手术操作流程，进一步保障医疗安全。

Description

医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统及方法
技术领域
本发明涉及人机互动系统技术领域，具体涉及一种医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统及方法。
背景技术
传统手术过程中存在着病人痛苦大、风险高等缺点。手术过程中患者的受损组织需要长时间暴露，增加了感染的几率，手术的效果跟医生的业务能力有直接关系，有的时候由于医生操作不当引起术后并发症甚至需要反复手术。医生在手术学习的过程中往往采用动物或者尸体作为手术对象，然而该方法存在一定的局限性，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。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统及方法，可建立虚拟手术室三维模型、虚拟手术器械三维模型、虚拟手三维模型，还根据影像数据建立虚拟手术部位的三维模型，通过人机交互模块实现交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，方便医生进行手术模拟训练，提高沉浸感，能够帮助受训医生更好地掌握手术要领，规范手术操作流程，进一步保障医疗安全。
第一方面，本发明实施例提供的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统，包括数据导入模块、三维建模模块、显示模块、人机交互模块和主机，所述数据导入模块用于导入患者的影像检查数据；所述三维建模模块用于根据患者的影像检查数据建立手术部位的三维模型；所述显示模块用于显示信息；所述人机交互模块用于实现操作者通过交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，模拟真实的手术过程，所述主机用于对数据进行处理。
第二方面，本发明实施例提供的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统，包括数据导入模块、三维建模模块、显示模块、人机交互模块和主机，
所述数据导入模块用于导入患者的影像检查数据；
所述三维建模模块用于建立虚拟手术室和手术器械的三维模型以及建立虚拟手的三维模型，根据患者的影像检查数据建立虚拟手术部位的三维模型；
所述显示模块显示出虚拟手术室和手术器械的三维模型、虚拟手的三维模型、虚拟手术部位的三维模型和操作者操作虚拟手的动作过程；
所述人机交互模块用于实现操作者通过交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，实现移动操作、抓取动作、碰撞操作和切除操作过程，模拟真实的手术过程，所述人机交互模块包括数据手套、三维立体定位装置和连接线，所述三维立体定位装置安装在数据手套上，所述数据手套与三维立体定位装置连接，所述数据手套通过连接线与主机连接，所述数据手套用于采集操作者的手的动作，所述三维立体定位装置根据数据手套在空间的移动，计算出数据手套的位置数据和方位数据，并将位置数据和方位数据发送给主机；所述三维立体定位装置包括发射器、接收器和控制器，所述发射器发射电磁信号，所述接收器接收发射器发射的电磁信号，所述接收器安装在数据手套的手背位置，用于检测数据手套的位置和方向，接收器将3个位置参数和3个方向参数发送给控制器，控制器与主机连接，控制器控制发射器的信号发射，并将接收器接收的电磁信号转换为数字信号发送给主机；
所述主机将数字信号处理得到数据手套的当前位置和运动方向，主机实时更新虚拟场景中虚拟手的位置和运动方向，实现移动操作。
可选地，所述控制器与主机通过RS-232串口连接。
可选地，所述显示模块采用裸眼3D显示器。
可选地，所述数据手套采用有五个传感器的数据手套，所述数据手套通过USB接口与主机连接。
第三方面，本发明实施例提供的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动方法，适用于上述的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统，所述方法包括：
数据导入模块导入患者的影像检查数据；
三维建模模块根据患者的影像检查数据建立虚拟手术部位的三维模型，建立虚拟手术室和手术器械的三维模型以及建立虚拟手的三维模型；
显示模块显示出虚拟手术部位的三维模型、虚拟手术室和手术器械的三维模型、虚拟手的三维模型和操作者操作虚拟手的动作过程；
人机交互模块获取交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，实现移动操作、抓取动作、碰撞操作和切除操作过程，模拟真实的手术过程；
其中，所述实现移动操作的方法包括：数据手套采集操作者手在空间的动作，三维立体定位装置根据数据手套在空间的移动，计算出数据手套的位置数据和方位数据，并将位置数据和方位数据发送给主机；发射器发射电磁信号，接收器接收发射器发射的电磁信号，所述接收器将3个位置参数和3个方向参数发送给控制器，控制器控制发射器的信号发射，并将接收器接收的电磁信号转换为数字信号发送给主机；主机将数字信号处理得到数据手套的当前位置和运动方向，主机实时更新虚拟场景中虚拟手的位置和运动方向，实现移动操作。
可选地，所述控制器与主机通过RS-232串口连接。
可选地，所述显示模块采用裸眼3D显示器。
可选地，所述数据手套采用有五个传感器的数据手套，所述数据手套通过USB接口与主机连接。
本发明的有益效果：
本发明实施例提供的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统，可建立虚拟手术室三维模型、虚拟手术器械三维模型、虚拟手三维模型，还根据影像数据建立虚拟手术部位的三维模型，通过人机交互模块实现交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，方便医生进行手术模拟训练，提高沉浸感，能够帮助受训医生更好地掌握手术要领，规范手术操作流程，进一步保障医疗安全。
本发明实施例提供的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动方法可建立虚拟手术室三维模型、虚拟手术器械三维模型、虚拟手三维模型，还根据影像数据建立虚拟手术部位的三维模型，通过人机交互模块实现交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，方便医生进行手术模拟训练，提高沉浸感，能够帮助受训医生更好地掌握手术要领，规范手术操作流程，进一步保障医疗安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了本发明第二实施例所提供的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统的结构示意图；
图2示出了图1中的人机交互模块的结构示意图；
图3示出了图2中的三维立体定位装置的结构示意图；
图4示出了本发明第三实施例所提供的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
本发明第一实施例所提供的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统的结构示意图，医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统，包括数据导入模块、三维建模模块、显示模块、人机交互模块和主机，所述数据导入模块用于导入患者的影像检查数据；所述三维建模模块用于根据患者的影像检查数据建立手术部位的三维模型；所述显示模块用于显示信息；所述人机交互模块用于实现操作者通过交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，模拟真实的手术过程，主机用于对数据进行处理。
如图1、2、3所示，示出了本发明第二实施例所提供的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统的结构示意图，该系统包括数据导入模块、三维建模模块、显示模块、人机交互模块和主机。
所述数据导入模块用于导入患者的影像检查数据；影像检查数据包括CT图像、MRI图像、病人信息和医院信息。
所述三维建模模块用于建立虚拟手术室和手术器械的三维模型以及建立虚拟手的三维模型，根据患者的影像检查数据建立虚拟手术部位的三维模型。对CT图像、MRI图像先进行图像预处理，图像预处理包括勾勒病灶、去噪等，三维建模模块建立虚拟手术部位的三维模型，虚拟手术部位为颅脑时，可采用颅脑三维建模建立颅脑模型，虚拟手术室模型和虚拟手术器械三维模型通过3D MAX建立，虚拟手三维模型则通过OpenGL建立。
所述显示模块显示出虚拟手术室和手术器械的三维模型、虚拟手的三维模型、虚拟手术部位的三维模型和操作者操作虚拟手的动作过程。显示模块采用裸眼3D显示器。采用裸眼3D显示器操作者可以直接观看3D效果，不用借助其他的辅助设备，不会影响手术视野。
人机交互模块用于实现操作者通过交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，实现移动操作、抓取动作、碰撞操作和切除操作过程，模拟真实的手术过程，所述人机交互模块包括数据手套、三维立体定位装置和连接线，所述三维立体定位装置安装在数据手套上，所述数据手套与三维立体定位装置连接，所述数据手套通过连接线与主机连接，所述数据手套用于采集操作者的手的动作，所述三维立体定位装置根据数据手套在空间的移动，计算出数据手套的位置数据和方位数据，并将位置数据和方位数据发送给主机；所述三维立体定位装置包括发射器、接收器和控制器，所述发射器发射电磁信号，所述接收器接收发射器发射的电磁信号，所述接收器安装在数据手套的手背位置，用于检测数据手套的位置和方向，接收器将3个位置参数和3个方向参数发送给控制器，控制器与主机连接，控制器控制发射器的信号发射，并将接收器接收的电磁信号转换为数字信号发送给主机；控制器与主机通过RS-232串口连接。数据手套采用有五个传感器的Data Glove 5Ultra数据手套，所述数据手套通过USB接口与主机连接。
所述主机将数字信号处理得到数据手套的当前位置和运动方向，主机实时更新虚拟场景中虚拟手的位置和运动方向，实现移动操作。
医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统在建立好虚拟手术室模型后，将建立好的虚拟手术部位模型导入到虚拟手术室中，再入虚拟手及虚拟手术器械等模型，主机通过USB接口和数据手套建立连接，数据手套实时获取人手的动作姿态，主机循环获取数据手套返回的传感器值，获取人的移动操作、抓取动作、碰撞操作和切除操作，在虚拟场景中再现人手的这些操作动作，实现人机交互的目的，提高虚拟环境的真实性。
医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统可建立虚拟手术室三维模型、虚拟手术器械三维模型、虚拟手三维模型，还根据影像数据建立虚拟手术部位的三维模型，通过人机交互模块实现交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，方便医生进行手术模拟训练，提高沉浸感，能够帮助受训医生更好地掌握手术要领，规范手术操作流程，进一步保障医疗安全。
如图4所示，示出了本发明第三实施例提供的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动方法的流程图，适用于上述第二实施例描述的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统，该方法包括：
S1:数据导入模块导入患者的影像检查数据；
S2:三维建模模块根据患者的影像检查数据建立虚拟手术部位的三维模型，建立虚拟手术室和手术器械的三维模型以及建立虚拟手的三维模型；
S3:显示模块显示出虚拟手术部位的三维模型、虚拟手术室和手术器械的三维模型、虚拟手的三维模型和操作者操作虚拟手的动作过程；
S4:人机交互模块获取交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，实现移动操作、抓取动作、碰撞操作和切除操作过程，模拟真实的手术过程。
其中，所述移动操作的实现方法包括：
数据导入模块导入患者的影像检查数据；
三维建模模块根据患者的影响检查数据建立虚拟手术部位的三维模型，建立虚拟手术室和手术器械的三维模型以及建立虚拟手的三维模型；
显示模块显示出虚拟手术部位的三维模型、虚拟手术室和手术器械的三维模型、虚拟手的三维模型和操作者操作虚拟手的动作过程；
人机交互模块获取交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，实现移动操作、抓取动作、碰撞操作和切除操作过程，模拟真实的手术过程；
其中，所述实现移动操作的方法包括：数据手套采集操作者手在空间的动作，三维立体定位装置根据数据手套在空间的移动，计算出数据手套的位置数据和方位数据，并将位置数据和方位数据发送给主机；发射器发射电磁信号，接收器接收发射器发射的电磁信号，所述接收器将3个位置参数和3个方向参数发送给控制器，控制器控制发射器的信号发射，并将接收器接收的电磁信号转换为数字信号发送给主机；主机将数字信号处理得到数据手套的当前位置和运动方向，主机实时更新虚拟场景中虚拟手的位置和运动方向，实现移动操作。
医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动方法先获取患者的检查图像数据，根据检查图像数据建立虚拟手术部位的三维模型，再建立虚拟手术室模型、虚拟手及虚拟手术器械等模型，将建立好的虚拟手术部位模型导入到虚拟手术室中，再入虚拟手及虚拟手术器械等模型，主机和数据手套建立连接，数据手套实时获取人手的动作姿态，主机循环获取数据手套返回的传感器值，获取人的移动操作、抓取动作、碰撞操作和切除操作，在虚拟场景中再现人手的这些操作动作，实现人机交互的目的，提高虚拟环境的真实性。
医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动方法可建立虚拟手术室三维模型、虚拟手术器械三维模型、虚拟手三维模型，还根据影像数据建立虚拟手术部位的三维模型，通过人机交互模块实现交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，方便医生进行手术模拟训练，提高沉浸感，能够帮助受训医生更好地掌握手术要领，规范手术操作流程，进一步保障医疗安全。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统，其特征在于，包括数据导入模块、三维建模模块、显示模块、人机交互模块和主机，所述数据导入模块用于导入患者的影像检查数据；所述三维建模模块用于根据患者的影像检查数据建立手术部位的三维模型；所述显示模块用于显示信息；所述人机交互模块用于实现操作者通过交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，模拟真实的手术过程；所述主机用于对数据进行处理。
2.医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统，其特征在于，包括数据导入模块、三维建模模块、显示模块、人机交互模块和主机，
所述数据导入模块用于导入患者的影像检查数据；
所述三维建模模块用于建立虚拟手术室和手术器械的三维模型以及建立虚拟手的三维模型，根据患者的影像检查数据建立虚拟手术部位的三维模型；
所述显示模块显示出虚拟手术室和手术器械的三维模型、虚拟手的三维模型、虚拟手术部位的三维模型和操作者操作虚拟手的动作过程；
所述人机交互模块用于实现操作者通过交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，实现移动操作、抓取动作、碰撞操作和切除操作过程，模拟真实的手术过程，所述人机交互模块包括数据手套、三维立体定位装置和连接线，所述三维立体定位装置安装在数据手套上，所述数据手套与三维立体定位装置连接，所述数据手套通过连接线与主机连接，所述数据手套用于采集操作者的手的动作，所述三维立体定位装置根据数据手套在空间的移动，计算出数据手套的位置数据和方位数据，并将位置数据和方位数据发送给主机；所述三维立体定位装置包括发射器、接收器和控制器，所述发射器发射电磁信号，所述接收器接收发射器发射的电磁信号，所述接收器安装在数据手套的手背位置，用于检测数据手套的位置和方向，接收器将3个位置参数和3个方向参数发送给控制器，控制器与主机连接，控制器控制发射器的信号发射，并将接收器接收的电磁信号转换为数字信号发送给主机；
所述主机将数字信号处理得到数据手套的当前位置和运动方向，主机实时更新虚拟场景中虚拟手的位置和运动方向，实现移动操作。
3.如权利要求2所述的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统，其特征在于，所述控制器与主机通过RS-232串口连接。
4.如权利要求2所述的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统，其特征在于，所述显示模块采用裸眼3D显示器。
5.如权利要求2所述的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统，其特征在于，所述数据手套采用有五个传感器的数据手套，所述数据手套通过USB接口与主机连接。
6.医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动方法，其特征在于，适用于权利要求2所述的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动系统，所述方法包括：
数据导入模块导入患者的影像检查数据；
三维建模模块根据患者的影像检查数据建立虚拟手术部位的三维模型，建立虚拟手术室和手术器械的三维模型以及建立虚拟手的三维模型；
显示模块显示出虚拟手术部位的三维模型、虚拟手术室和手术器械的三维模型、虚拟手的三维模型和操作者操作虚拟手的动作过程；
人机交互模块获取交互设备与虚拟场景中的物体进行互动操作，实现移动操作、抓取动作、碰撞操作和切除操作过程，模拟真实的手术过程；
其中，所述实现移动操作的方法包括：数据手套采集操作者手在空间的动作，三维立体定位装置根据数据手套在空间的移动，计算出数据手套的位置数据和方位数据，并将位置数据和方位数据发送给主机；发射器发射电磁信号，接收器接收发射器发射的电磁信号，所述接收器将3个位置参数和3个方向参数发送给控制器，控制器控制发射器的信号发射，并将接收器接收的电磁信号转换为数字信号发送给主机；主机将数字信号处理得到数据手套的当前位置和运动方向，主机实时更新虚拟场景中虚拟手的位置和运动方向，实现移动操作。
7.如权利要求6所述的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动方法，其特征在于，所述控制器与主机通过RS-232串口连接。
8.如权利要求6所述的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动方法，其特征在于，所述显示模块采用裸眼3D显示器。
9.如权利要求6所述的医学数字化3D模型人体手术模拟人机互动方法，其特征在于，所述数据手套采用有五个传感器的数据手套，所述数据手套通过USB接口与主机连接。
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