CN109637252A - 一种神经外科虚拟手术训练系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种神经外科虚拟手术训练系统，其手术箱本体的左右两侧内壁上对称安装有一组光幕系统，光幕系统形成的红外线光幕覆盖整个手术箱本体内部；手术箱本体内部八个角内均内嵌安装有一3D投影仪，手术箱本体的内底面内安装有一空气屏幕生成系统，3D投影仪和空气屏幕生成系统构成立体模型投放模块，用于完成各种立体模型的投放；手术箱本体的右侧外壁上安装有一人机操作模块，用于输入各种控制命令；还包括立体模型生成模块、虚拟作动模块、通过蛇形机械臂安装在手术箱本体内的手术刀具和中央处理器。本发明可以较为逼真的模拟实际手术所带来的手感，并可以实现手术步骤所带来的立体模型图像的及时反馈。

Description

一种神经外科虚拟手术训练系统
技术领域
本发明涉及医学领域，具体涉及一种神经外科虚拟手术训练系统。
背景技术
随着现代医学条件的进步，人们对健康的要求越来越高。在各类医疗手段中，脑神经外科手术的需求也越来越大。但脑神经外科手术是目前操作难度最高、精度要求最严格的外科手术之一，用作训练材料的大脑具有不可重复使用的特点，且数量缺乏，因此大多数脑神经外科医师的培训主要依赖于受训医师的想象力以及指导医师的教育水平。训练的缺乏导致合格脑手术医师的培训难度极大，具有不小的局限性。
计算机技术的发展，使得虚拟现实技术逐渐为脑神经外科手术训练提供了可能。虚拟手术训练系统能够结合信息技术，自动化技术，计算机图形学、计算机视觉、计算机图像处理等多个方向的成熟技术，利用三维建模、可视化渲染展现与现实相似的脑组织结构以及病征，利用软组织形变技术以及力反馈设备给予医师真实的视觉、触觉反馈，从多个方面为医师重现逼真的手术场景。通过搭建适当的训练场景，设计标准化的评分机制，医师可以反复进行手术试验并发现不足，继而有效提高技术水平，同时也解决了传统培训无法重复利用训练资源的问题。
目前大多数脑神经外科虚拟手术训练系统的即时性较差，训练中训练者的操作得不到准确的反馈，降低了训练效率，不利于医师技术水平的提升。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种神经外科虚拟手术训练系统，可实现每一个手术操作步骤的准确捕捉和及时反馈。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种神经外科虚拟手术训练系统，包括手术箱本体，所述手术箱本体的上顶面采用透光玻璃材质，前侧面和后侧面对称开设有两组手术口，所述手术箱本体的左右两侧内壁上对称安装有一组光幕系统，该光幕系统形成的红外线光幕覆盖整个手术箱本体内部；
所述手术箱本体内部八个角内均内嵌安装有一3D投影仪，所述手术箱本体的内底面内安装有一空气屏幕生成系统，所述3D投影仪和空气屏幕生成系统构成立体模型投放模块，用于完成各种立体模型的投放；
所述手术箱本体的右侧外壁上安装有一人机操作模块，用于输入各种控制命令；
还包括：
立体模型生成模块，用于根据接收到的控制命令以及导入的影像数据在素材数据库内调用相应的素材构建各种人体中枢神经系统模型、周围神经系统模型和植物神经系统模型；
虚拟作动模块，用于驱动参数变化的，与立体模型生成模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；
手术刀具，通过蛇形机械臂安装在手术箱本体1内；
中央处理器，用于接收光幕系统、人机操作模块输入的各种控制命令，并根据预设的分类方法将控制命令分别发送到立体模型生成模块、3D投影仪、空气屏幕生成系统和蛇形机械臂，从而驱动人体中枢神经系统模型、周围神经系统模型和植物神经系统模型作出相应的移动和改变，驱动蛇形机械臂施加不同方向的力给手术刀，从而模拟手术过程中不同手术步骤所带来的手术刀实际操作感。
进一步地，所述立体模型上设有若干用于直接获取相应的结果或信息的逻辑单元，用于显示所述虚拟作动器通过执行仿真分析方法针对不同的参数获取的计算求解结果。
进一步地，所述手术箱本体1上端安装有一摄像头，用于进行训练过程视频数据的采集。
进一步地，所述人体中枢神经系统模型、周围神经系统模型和植物神经系统模型均以整人体模型为背景载体构建。
进一步地，所述手术刀具通过弹簧安装在蛇形机械臂的首端，弹簧一端与手术刀固接，另一端通过拉力传感器与所述蛇形机械臂相连，所述中央处理器用于根据拉力传感器检测到的数据输出对应的控制命令到立体模型生成模块，进行手术结果模型的及时构建反馈。
进一步地，手术刀的每一步操作均对应一个具体的立体模型，当手术操作出现严重错误时，蜂鸣报警器即启动。
进一步地，所述手术口内安装有一海绵套，可以实现训练时手臂的有效支撑。
本发明具有以下有益效果：
通过蛇形机械臂和弹簧根据不同的手术操作步骤给手术刀施加不同的作用力，从而可以较为逼真的模拟实际手术所带来的手感，基于拉力传感器和红外线光幕进行手术操作步骤过程所带来的控制命令的采集，通过空气屏幕系统和3d投影仪进行各种立体模型的投放，从而可以实现手术步骤所带来的立体模型图像的及时反馈。还可以通过虚拟参数作动模块进行当前操作步骤所涉及到的参数数据的获取，便于医生可以更为准确的进行每个步骤关键点以及自身缺陷点的获取。
附图说明
图1为本发明实施例一种神经外科虚拟手术训练系统中手术箱体的结构示意图。
图2为本发明实施例一种神经外科虚拟手术训练系统的系统框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种神经外科虚拟手术训练系统，包括手术箱本体1，所述手术箱本体1的上顶面采用透光玻璃材质，前侧面和后侧面对称开设有两组手术口2，所述手术口内安装有一海绵套，可以实现训练时手臂的有效支撑，所述手术箱本体1的左右两侧内壁上对称安装有一组光幕系统，该光幕系统形成的红外线光幕覆盖整个手术箱本体内部；
所述手术箱本体1内部八个角内均内嵌安装有一3D投影仪，所述手术箱本体1的内底面内安装有一空气屏幕生成系统，所述3D投影仪和空气屏幕生成系统构成立体模型投放模块，用于完成各种立体模型的投放；
所述手术箱本体1的右侧外壁上安装有一人机操作模块，用于输入各种控制命令；所述人机操作模块优选选用触控屏，其实现影像数据的导入；
还包括：
立体模型生成模块，用于根据接收到的控制命令以及导入的影像数据在素材数据库内调用相应的素材构建各种人体中枢神经系统模型、周围神经系统模型和植物神经系统模型；所述人体中枢神经系统模型、周围神经系统模型和植物神经系统模型均以整人体模型为背景载体构建；
虚拟作动模块，用于驱动参数变化的，与立体模型生成模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；所述立体模型上设有若干用于直接获取相应的结果或信息的逻辑单元，用于显示所述虚拟作动器通过执行仿真分析方法针对不同的参数获取的计算求解结果；
手术刀具，通过蛇形机械臂安装在手术箱本体1内；所述手术刀具通过弹簧安装在蛇形机械臂的首端，弹簧一端与手术刀固接，另一端通过拉力传感器与所述蛇形机械臂相连；
中央处理器，用于接收光幕系统、人机操作模块输入的各种控制命令，具体的，红外线光幕可以实现手术刀所在位置、角度以及训练者手所在位置、形状数据的获取，中央处理器接收到这些数据后均可以转换为对应的控制命令分别发送到立体模型生成模块、3D投影仪、空气屏幕生成系统和蛇形机械臂，从而驱动人体中枢神经系统模型、周围神经系统模型和植物神经系统模型作出相应的移动和改变，并基于组织形变模块、实时渲染模块实现模型细节的改变，驱动蛇形机械臂施加不同方向的力给手术刀，从而模拟手术过程中不同手术步骤所带来的手术刀实际操作感，还用于根据拉力传感器检测到的数据输出对应的控制命令到立体模型生成模块，进行手术结果模型的及时构建反馈；
所述手术箱本体1上端安装有一摄像头，用于进行训练过程视频数据的采集。
值得注意的是，手术刀的每一步操作均对应一个具体的立体模型，当手术操作出现严重错误时，蜂鸣报警器即启动，具体的，所述中央处理器基于预设的BP神经网络模型根据虚拟作动器模块的分析结果以及拉力传感器所采集到的数据进行当前手术情况的评估，一旦落入报警门限，蜂鸣报警器启动，手术训练终止。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种神经外科虚拟手术训练系统，包括手术箱本体(1)，所述手术箱本体(1)的上顶面采用透光玻璃材质，前侧面和后侧面对称开设有两组手术口(2)，其特征在于，所述手术箱本体(1)的左右两侧内壁上对称安装有一组光幕系统，该光幕系统形成的红外线光幕覆盖整个手术箱本体内部；
所述手术箱本体(1)内部八个角内均内嵌安装有一3D投影仪，所述手术箱本体(1)的内底面内安装有一空气屏幕生成系统，所述3D投影仪和空气屏幕生成系统构成立体模型投放模块，用于完成各种立体模型的投放；
所述手术箱本体(1)的右侧外壁上安装有一人机操作模块，用于输入各种控制命令；
还包括：
立体模型生成模块，用于根据接收到的控制命令以及导入的影像数据在素材数据库内调用相应的素材构建各种人体中枢神经系统模型、周围神经系统模型和植物神经系统模型；
虚拟作动模块，用于驱动参数变化的，与立体模型生成模块中的各元素建立关系后，可以在指定的范围内对参数进行变动，从而可以驱动仿真分析方法针对不同的参数进行计算求解；
手术刀具，通过蛇形机械臂安装在手术箱本体(1)内；
中央处理器，用于接收光幕系统、人机操作模块输入的各种控制命令，并根据预设的分类方法将控制命令分别发送到立体模型生成模块、3D投影仪、空气屏幕生成系统和蛇形机械臂，从而驱动人体中枢神经系统模型、周围神经系统模型和植物神经系统模型作出相应的移动和改变，驱动蛇形机械臂施加不同方向的力给手术刀，从而模拟手术过程中不同手术步骤所带来的手术刀实际操作感。
2.如权利要求1所述的一种神经外科虚拟手术训练系统，其特征在于：所述立体模型上设有若干用于直接获取相应的结果或信息的逻辑单元，用于显示所述虚拟作动器通过执行仿真分析方法针对不同的参数获取的计算求解结果。
3.如权利要求1所述的一种神经外科虚拟手术训练系统，其特征在于：所述手术箱本体(1)上端安装有一摄像头，用于进行训练过程视频数据的采集。
4.如权利要求1所述的一种神经外科虚拟手术训练系统，其特征在于：所述人体中枢神经系统模型、周围神经系统模型和植物神经系统模型均以整人体模型为背景载体构建。
5.如权利要求1所述的一种神经外科虚拟手术训练系统，其特征在于：所述手术刀具通过弹簧安装在蛇形机械臂的首端，弹簧一端与手术刀固接，另一端通过拉力传感器与所述蛇形机械臂相连，所述中央处理器用于根据拉力传感器检测到的数据输出对应的控制命令到立体模型生成模块，进行手术结果模型的及时构建反馈。
6.如权利要求1所述的一种神经外科虚拟手术训练系统，其特征在于：手术刀的每一步操作均对应一个具体的立体模型，当手术操作出现严重错误时，蜂鸣报警器即启动。
7.如权利要求1所述的一种神经外科虚拟手术训练系统，其特征在于：所述手术口内安装有一海绵套，可以实现训练时手臂的有效支撑。
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