CN109345897B - 基于虚拟现实的脊柱生物力学模拟控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于教学或训练用模拟领域，针对医师在制定手术策略后难以估算手术效果的问题，提出了基于虚拟现实的脊柱生物力学模拟控制系统，包括病患客户端、服务器和医护客户端；病患客户端包括用于采集病患身体数据的采集模块，医护客户端包括显示模块和用于输入对应预备手术策略治疗方案数据的输入模块，服务器包括数据库、信号接收模块、建模模块和修改模块；信号接收模块将接收到身体数据和治疗方案数据分别发送给建模模块和修改模块；建模模块根据身体数据对病患的身体进行三维建模产生初始建模信息；修改模块根据治疗方案数据对初始建模信息修改为当前模拟信息；初始建模信息和当前模拟信息均存放在数据库的缓存单元和发布在显示模块上。

Description

基于虚拟现实的脊柱生物力学模拟控制系统

技术领域

本发明属于教学或训练用模拟领域，具体涉及基于虚拟现实的脊柱生物力学模拟控制系统。

背景技术

在脊椎手术中，一些手术是不可逆性的，很难经过后续手术进行校正，如脊柱侧凸的手术矫形。这就使得脊椎手术的手术策略制定至关重要，这一方面却缺少一种客观的、公认的治疗标准。单单依靠手术医师自身的经验判断，显然又不够谨慎。

随着计算机技术的高速发展，医用生物力学研究逐渐成为医学研究中的重要手段，尤其是计算机生物力学建模技术的发展。因此，在制定手术策略方面，急需能够虚拟现实的脊柱生物力学模拟控制系统，以模拟出该手术策略对应的效果，并将该效果与一些相近病例进行比较，便于医师自身的水平的进步，以及医师制定更合理的手术策略。

发明内容

本发明提供了一种基于虚拟现实的脊柱生物力学模拟控制系统，解决了现有技术中，医师在制定手术策略后，难以估算该手术策略实施后会产生的效果问题。

本发明的基础方案为：基于虚拟现实的脊柱生物力学模拟控制系统，包括病患客户端、服务器和医护客户端；病患客户端包括采集模块；医护客户端包括显示模块和输入模块；服务器包括数据库、信号接收模块、建模模块和修改模块；

所述数据库包括缓存单元、历史单元和生理单元；历史单元用于存储往年的病例信息，病例信息包括病患基本信息、病患身体信息、初始建模信息、治疗方案信息、当前模拟信息和未来模拟信息；生理单元用于存储骨质生长规律数据；

采集模块用于采集病患的身体数据并发送给信号接收模块；输入模块用于输入对应预备手术策略的治疗方案数据，并将该治疗方案数据发送给服务器的信号接收模块；

信号接收模块用于接收采集模块发送的身体数据并发送给建模模块，信号接收模块还用于接收输入模块发送的治疗方案数据并发送给修改模块；

建模模块用于接收信号接收模块发送的身体数据，对病患的身体进行三维建模产生初始建模信息，并将初始建模信息发送给显示模块和数据库的缓存模块；

修改模块用于接收信号接收模块发送的治疗方案数据，从数据库中调出初始建模信息，并将治疗方案数据和初始建模信息进行结合，得到当前模拟信息，并将该当前模拟信息发送给显示模块和数据库的缓存模块；

显示模块用于接收建模模块发送的初始建模信息，并将初始建模信息显示出来，显示模块还用于接收修改模块发送的当前模拟信息，并将当前模拟信息显示出来。

本方案的基础原理及效果为：本方案中，病例信息中的病患基本信息、病患身体信息、初始建模信息、治疗方案信息、当前模拟信息和未来模拟信息，均是相互关联的。

本方案中，通过病患客户端的采集模块采集病患的身体数据，而后利用服务器对该身体数据进行三维建模，从而模拟出该病患的身体状况，并显示在医护客户端；接着医生将对应预备手术策略的治疗方案数据通过输入模块发送给服务器，服务器根据治疗方案数据改变从数据库调出的初始建模信息，完成对初始三维建模的修改，得到模拟手术后的当前模拟信息，并发送给医护客户端进行显示。

因此本方案实现了，模拟病患身体状况和模拟病患预备手术策略的治疗方案后的身体状况。使得医护人员，在不进行手术的情况下，能够预测到术后病患的身体情况，并根据该预测进行相关调整，有利于医护人员的学习和治疗方案的合理选择。

进一步，所述医护客户端还包括选择模块；所述选择模块用于向建模模块发送高速成像信息；建模模块接收到选择模块发送的高速成像信息后，从数据库的历史单元中匹配出最接近身体数据的病例信息，并根据对应该病例信息的初始建模信息结合身体数据，进行修改，从而得到对应该身体数据的初始建模信息。

本方案中，通过选择模块对建模模块的建模方式进行选择，当选择模块发送高速成像信息时，建模模块就在原先类似的初始建模信息结合本病患的身体数据进行修改；选择模块不发送信息的话，建模模块就会根据身体数据自己完成建模；通过选择模块对建模方式进行切换，医护人员可以根据需求切换建模方式，从而提高建模效率。

进一步，所述服务器还包括对比模块；所述对比模块用于从数据库的缓存单元中调出初始建模信息和当前模拟信息，并将当前模拟信息与初始建模信息进行对比，得到当前差距信息，并将当前差距信息发送给显示模块；显示模块接收到对比模块发送的当前差距信息并显示出来。

本方案中，通过对比模块得出治疗前和治疗后之间的差距，并将这个差距通过显示模块显示出来，便于医护人员更明确的了解到治疗效果，从而判断该治疗方案的优劣。

进一步，所述服务器还包括延时模块；所述输入模块包括时间输入单元和数据输入单元，时间输入单元用于向延时模块发送预定时间信息，数据输入单元用于向信号接收模块发送治疗方案数据；

所述延时模块用于接收时间输入单元发送的预定时间信息，延时模块从数据库的生理单元中调出骨质生长规律数据以，延时单元还从数据库的缓存单元中调出当前模拟信息，并根据骨质生长规律、当前模拟信息和预定时间信息，推算出对应该预定时间信息的未来模拟信息，延时模块将预定时间信息和未来模拟信息发送给显示模块，延时模块还将未来模拟信息发送个数据库的缓存单元；

显示模块还用于接收延时模块发送的预定时间信息和未来模拟信息并显示出来。

本方案中，延时模块利用生理单元的骨质生长规律，推断出使用该治疗方案后病患的情况，并通过显示模块显示出来，从长远角度而言，了解到术后的情况，便于提前排除手术隐患，有利于治疗方案的合理选择。

进一步，所述服务器还包括查找模块；所述信号接收模块还用于将身体数据发送给查找模块；所述查找模块用于接收信号接收模块的身体数据，并根据该身体数据从数据库的缓存单元中匹配出最接近身体数据的病例信息，并将该病例信息发送给显示模块；显示模块还用于接收查找模块发送的病例信息并显示出来。

本方案中，查找模块根据病患的身体信息查找历史单元中相近的病例信息，并通过显示模块进行显示；有利于医护人员制定适合该病患身体信息的治疗方案。

进一步，所述服务器包括点评模块；

点评模块用于数据库的缓存单元中调出初始模拟信息、当前模拟信息和未来模拟信息，从数据库的历史单元中调出最接近身体数据的病例信息，并将当前模拟信息和未来模拟信息与病例信息进行对比，得到点评信息，并将该点评信息发送个显示模块；显示模块用于接收点评模块发送的点评信息并显示出来。

本方案中，点评模块将历史单元中的病例信息中的当前模拟信息与代表实施该治疗方案后当前治疗效果的当前模拟信息进行对比，并且将病例信息中未来模拟信息与代表实时该治疗方案后未来治疗效果的未来模拟信息分别进行对比，从而得到对比结果，将该对比结果作为点评信息，点评模块将点评信息发送给显示模块进行显示；实现多方位的对比，从而便于医护人员进行分析该治疗方案的优劣，从而提高医疗经验，选择更优秀的治疗方案。

附图说明

图1为本发明基于虚拟现实的脊柱生物力学模拟控制系统实施例的模块示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

(一)数据库简述

数据库包括缓存单元、历史单元和生理单元；缓存单元用于存储建模块发送的初始建模信息、修改模块发送的当前模拟信息和延时模块发送的未来模拟信息；历史单元用于存储往年的病例信息，病例信息包括病患基本信息、病患身体信息、初始建模信息、治疗方案信息、当前模拟信息和未来模拟信息；生理单元用于存储骨质生长规律数据。

历史单元中存储的往年病例信息有：A病患-身体信息B-初始建模信息C-治疗方案信息D-当前模拟信息E和未来模拟信息F；其中初始建模信息C是根据身体信息B进行三维建模的，当前模拟信息E是治疗方案信息D与初始建模信息C结合后产生的，未来建模信息F是根据骨质生长规律和当前模拟信息E从而对比出在一段时间后的情况。

(二)系统结构简述

基于虚拟现实的脊柱生物力学模拟控制系统，如图1所示，包括病患客户端、服务器和医护客户端；病患客户端包括采集模块，医护客户端包括显示模块、输入模块和选择模块，服务器包括数据库、信号接收模块、建模模块、修改模块、对比模块、点评模块、查找模块和数据库。其中，数据库包括缓存单元、生理单元和历史单元，输入模块包括数据输入模块和时间输入单元，信号接收模块包括采集接收单元和输入接收单元。信号接收模块中的采集接收单元与采集模块之间是通过数据线进行串口通信的，输入接收单元与输入模块的数据输入单元之间也是通过数据线进行串口通信。

以对a病患进行脊柱侧凸矫形手术为例，具体介绍本方案基于虚拟现实的脊柱生物力学模拟控制系统：

(1)对病患的身体进行三维建模，并查找出历史单元中的相关病例资料

S1，采集模块采用CT机等医疗仪器对a病患的手术相关区域(手术区和与本次手术相关的身体部分)进行身体数据采集，而后将采集到的身体数据b发送给服务器的信号接收模块；

S2，信号接收模块的采集接收单元接收到身体信息b后，将该身体信息b发送给建模模块和查找模块；

S3，建模模块根据身体数据进行三维建模，并将三维建模后的病患虚拟身体称为初始建模信息c，建模模块将初始建模信息c发送给数据库的缓存单元进行存储，同时将初始建模x信息c发送给显示模块进行显示；

S4，查找模块根据身体数据从数据库的病例信息中查找到最相近的病例信息“A病患-B身体信息-初始建模信息C-治疗方案信息D-当前模拟信息D和未来模拟信息F”，并将该最相近的病例信息发送给显示模块进行显示。

本方案中，查找模块根据病患的身体信息查找历史单元中相近的病例信息，并通过显示模块进行显示；有利于医护人员制定适合该病患身体信息的治疗方案。

(2)有治疗方案后输入，并观察手术后的短期效果

S5，医护人员通过输入模块的数据输入单元输入对应预备手术策略的治疗方案数据d，并将该治疗方案数据d发送给服务器信号接收模块的输入接收单元；

S6，信号接收模块的输入接收到案源接收到治疗方案数据d后，将治疗方案数据d发送给修改模块；

S7，修改模块接收信号接收到治疗方案数据d后，从数据库的缓存单元中调出初始建模信息c，并将并将治疗方案数据d和初始建模信息c进行结合，得到当前模拟信息e，并将该当前模拟信息e发送给显示模块进行显示，同时修改模块将当前模拟信息e发送给数据库的缓存单元进行存储；

S8，对比模块从数据库的缓存单元中调出初始建模信息c和当前模拟信息e，并将当前模拟信息e与初始建模信息c进行对比得到当前差距信息，对比模块将当前差距信息发送给显示模块进行显示。

本方案中，实现了模拟病患经过该手术策略的治疗方案后，病患的身体当时会产生的状况，一定程度上体现了该医疗手术在短期的成效，也便于医护人员了解对应该手术策略的手术风险，便于医护人员选择最优的手术策略。同时通过对比模块突出手术完成后短期与手术之前的情况对比，更加直观的体现了该手术后的短期治疗效果。

(3)手术长期治疗效果

S9，医护人员在输入模块的时间输入单元中输入预定的时间信息，并将预定时间信息发送给延时模块；

S10，延时模块接收到预定时间信息后，延时模块从数据库的生理单元中调出骨质生长规律数据，延时模块还从数据库的缓存单元中调出当前模拟信息e，并根据骨质生长规律、当前模拟信息和预定时间信息，得出对应该预定时间信息的未来模拟信息f；延时模块将预定时间信息和未来模拟信息f发送给显示模块进行显示，延时模块还将未来模拟信息f发送给数据库的缓存单元进行存储。

本方案中，若预定时间信息为60天，那么延时模块就会根据骨质生长规律，推演出当前手术方案的当前模拟信息在未来60天后的变化，从而得到实行该手术方案60天病患的身体状况，并称为未来模拟信息，而后将60天和模拟信息通过显示模块进行显示。因此，本方案从长远角度而言，了解到术后的情况，便于提前排除手术隐患，有利于治疗方案的合理选择。

(4)整体治疗效果点评

S11，点评模块从数据库的缓存单元中调出初始模拟信息c、当前模拟信息e和未来模拟信息f，同时点评模块从数据库的历史单元中调出最接近身体数据的病例信息，并将初始模拟信息c、当前模拟信息e和未来模拟信息f与病例信息进行对比，得到点评信息，并将该点评信息发送给显示模块显示出来。

本方案中“初始模拟信息c、当前模拟信息e和未来模拟信息f与病例信息进行对比”，具体为：将a病患的初始模拟信息c与病例信息中A病患的初始模拟信息C进行对比，将a病患的当前模拟信息e与病例信息中A病患的当期那模拟信息E进行对比，将a病患的未来模拟信息f与病例信息中A病患的未来模拟信息F进行对比。

本方案实现当前方案与历史方案之间的多方位的对比，从而便于医护人员进行分析该治疗方案的优劣，从而提高医疗经验，选择更优秀的治疗方案。

(5)建模模块的工作方式选择

若用户需要切换另外一种建模方式：即可操控医护客户端的选择模块，向建模模块发送告诉成像信息；建模模块接收到选择模块发送的高速成像信息后，从数据库的历史单元中匹配出最接近身体数据的病例信息，并根据对应该病例信息的初始建模信息结合身体数据，进行修改，从而得到对应该身体数据的初始建模信息。

通过选择模块对建模模块的建模方式进行选择，当选择模块发送高速成像信息时，建模模块就在原先类似的初始建模信息结合本病患的身体数据进行修改；选择模块不发送信息的话，建模模块就会根据身体数据自己完成建模；通过选择模块对建模方式进行切换，医护人员可以根据需求切换建模方式，从而提高建模效率。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (5)

1.基于虚拟现实的脊柱生物力学模拟控制系统，其特征在于：包括病患客户端、服务器和医护客户端；病患客户端包括采集模块；医护客户端包括显示模块和输入模块；服务器包括数据库、信号接收模块、建模模块、修改模块和延时模块；

所述数据库包括缓存单元、历史单元和生理单元；历史单元用于存储往年的病例信息，病例信息包括病患基本信息、病患身体信息、初始建模信息、治疗方案信息、当前模拟信息和未来模拟信息；生理单元用于存储骨质生长规律数据；

采集模块用于采集病患的身体数据并发送给信号接收模块；输入模块用于输入对应预备手术策略的治疗方案数据，并将该治疗方案数据发送给服务器的信号接收模块；

输入模块包括时间输入单元和数据输入单元，时间输入单元用于向延时模块发送预定时间信息，数据输入单元用于向信号接收模块发送治疗方案数据；

信号接收模块用于接收采集模块发送的身体数据并发送给建模模块，信号接收模块还用于接收输入模块发送的治疗方案数据并发送给修改模块；

所述延时模块用于接收时间输入单元发送的预定时间信息，延时模块从数据库的生理单元中调出骨质生长规律数据，延时单元还从数据库的缓存单元中调出当前模拟信息，并根据骨质生长规律、当前模拟信息和预定时间信息，推算出对应该预定时间信息的未来模拟信息，延时模块将预定时间信息和未来模拟信息发送给显示模块，延时模块还将未来模拟信息发送给数据库的缓存单元；

建模模块用于接收信号接收模块发送的身体数据，对病患的身体进行三维建模产生初始建模信息，并将初始建模信息发送给显示模块和数据库的缓存模块；

修改模块用于接收信号接收模块发送的治疗方案数据，从数据库中调出初始建模信息，并将治疗方案数据和初始建模信息进行结合，得到当前模拟信息，并将该当前模拟信息发送给显示模块和数据库的缓存模块；

显示模块用于接收建模模块发送的初始建模信息，并将初始建模信息显示出来，显示模块还用于接收修改模块发送的当前模拟信息，并将当前模拟信息显示出来；显示模块还用于接收延时模块发送的预定时间信息和未来模拟信息并显示出来。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的脊柱生物力学模拟控制系统，其特征在于：所述医护客户端还包括选择模块；所述选择模块用于向建模模块发送高速成像信息；建模模块接收到选择模块发送的高速成像信息后，从数据库的历史单元中匹配出最接近身体数据的病例信息，并根据对应该病例信息的初始建模信息结合身体数据，进行修改，从而得到对应该身体数据的初始建模信息。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的脊柱生物力学模拟控制系统，其特征在于：所述服务器还包括对比模块；所述对比模块用于从数据库的缓存单元中调出初始建模信息和当前模拟信息，并将当前模拟信息与初始建模信息进行对比，得到当前差距信息，并将当前差距信息发送给显示模块；显示模块接收到对比模块发送的当前差距信息并显示出来。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的脊柱生物力学模拟控制系统，其特征在于：所述服务器还包括查找模块；所述信号接收模块还用于将身体数据发送给查找模块；所述查找模块用于接收信号接收模块的身体数据，并根据该身体数据从数据库的缓存单元中匹配出最接近身体数据的病例信息，并将该病例信息发送给显示模块；显示模块还用于接收查找模块发送的病例信息并显示出来。

5.根据权利要求4所述的基于虚拟现实的脊柱生物力学模拟控制系统，其特征在于：所述服务器包括点评模块；

点评模块用于数据库的缓存单元中调出初始模拟信息、当前模拟信息和未来模拟信息，从数据库的历史单元中调出最接近身体数据的病例信息，并将当前模拟信息和未来模拟信息与病例信息进行对比，得到点评信息，并将该点评信息发送个显示模块；显示模块用于接收点评模块发送的点评信息并显示出来。

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