CN109658772A - 一种基于虚拟现实的手术培训与考核方法 - Google Patents

Abstract

一种基于虚拟现实的手术培训与考核方法，它包括数据库模块和执行模块，数据库模块分为培训与考核题库、手术阶段场景模型库、医疗器械和药物模型库以及疾患和治疗方案模型库，执行模块包括培训与考核选择模块，手术阶段选择模块，医疗器械和药物选择模块，疾患和治疗方案选择模块，培训与考核选择模块依次与手术阶段选择模块，医疗器械和药物选择模块，疾患和治疗方案选择模块连接。本发明能够借助虚拟现实系统完成手术培训与考核，借助虚拟现实系统验证和模拟治疗方案，借助虚拟现实系统观察疾患的演化机理，为手术技能的培训和考核，以及治疗方案的设计仿真提供更加环保和安全的方式。本发明的目的是为解决现有的手术培训与考核方法效率不高，浪费较大，手术风险较高的技术问题。

Description

一种基于虚拟现实的手术培训与考核方法

技术领域

本发明属于虚拟现实和医疗技术培训领域，具体涉及一种的基于虚拟现实的手术培训与考核方法。

背景技术

近年来医学治疗有了飞速的发展，经历了由显微到微创内科，由两维影像到三维成像，以及神经导航和术中监测广泛应用等不同阶段。有的手术难度系数非常高，要求医师十分精细，熟练，对人体各部位构造有清晰的认识，更要有精准的操作技能。然而目前培训过程大多是依赖图谱、模型、动物、尸体、现场观摩，或者由高年资医师带教完成。

这些培训方式都存在一定的缺陷，图谱缺乏立体感，模型缺乏真实感，而动物的解剖结构多有变异，而且尸体价格昂贵且缺乏可重复性，没有实际操作经验，增加感染发生率及患者风险等问题。人均学习资源的减少也是一个不可忽视的外部因素，手术技能培训的过程中，一方面患者对医院、医生缺乏信任，不愿意让新人在自己身上练手；另一方面，带教医师也不愿意因此而惹七不必要的麻烦。对于各科手术而言，由于多采用局部麻醉，且手术上台的人数有限，因而与大系统相比这一问题更加突出，其结果是住院手术机会越来越少。而且传统的手术方式很难在手术前观测手术中和手术后可能出现的风险和副作用现象，也无法提前观察手术过程医疗器械与患者身体的交互过程。

培训机会和所需要的高超的技术形成了强烈反差，应用新的技术手段，加强培训已成为一个十分重要的任务。而医学手术是一门实践性要求很高的科学，实践次数的积累是不可逾越的必经之路，手术资格准入和分级授权需要长期的经验积累，所以对培训和考核相当重要。然而在市场上还缺乏一种基于虚拟现实的手术培训与考核方法。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的基于虚拟现实的手术培训与考核方法电源的续航能力以及控制组件的控制效率有待提高的技术问题。

一种基于虚拟现实的手术培训与考核方法，它包括数据库模块和执行模块，数据库模块分为培训与考核题库、手术阶段场景模型库、医疗器械和药物模型库以及疾患和治疗方案模型库，执行模块包括培训与考核选择模块、手术阶段选择模块、医疗器械和药物选择模块以及疾患和治疗方案选择模块，培训与考核选择模块依次与手术阶段选择模块、医疗器械和药物选择模块、疾患和治疗方案选择模块连接。

上述培训与考核题库包括培训操作演示模型库、培训操作指导模型库以及考核试题模型库，所述培训操作演示模型库以及培训操作指导模型库是虚拟现实系统的培训考核建模库，用于根据培训、考核使用者的标准、规则及手术指导，可将教师端、学生端的计算机和虚拟现实系统终端组合起来，结合手术阶段场景模型库、医疗器械和药物模型库、疾患和治疗方案模型库构建多人、单人虚拟现实场景。

上述手术阶段场景模型库用来存放整个虚拟世界中所有对象的3D模型，以及不同用户虚拟现实交互计算的中间结果，并结合数据可视化技术，以更形象、更直观的方式展现不同用户在对实验物手术操作的动态过程、人体各组织、器官在不同手术阶段的数据模型以及患者在不同手术阶段的表情、声音、身体姿态，及手术操作器与实验物的动态关系、实验物在动态手术操作中的动态变化，建立患者和病患部位随时间演化的动态模型，真实反映身体器官组织随患者生活、饮食、心理、治疗方案不同而发生生理变化的过程，构建术前、术中、术后的虚拟现实场景。

上述医疗器械和药物模型库，虚拟医疗器械和药物模型库用于存储学生培训的3D操作动作及其语音，通过调动医疗器械和药物模型库来达到对于各种对患者及实验体或实验体操作讲解及其示范，将教师端、学生端的计算机和虚拟现实系统终端组合起来，结合手术阶段场景模型库、医疗器械和药物模型库、疾患和治疗方案模型库构建多人、单人虚拟现实场景。

上述疾患和治疗方案模型库，虚拟疾患和治疗方案模型库用于存储各种不同疾病的患者局部组织或部分器官3D模型及实验体的各种生物结构局部或整体，以及不同疾患的可能的治疗方案模型，和治疗效果数据；虚拟疾患和治疗方案模型库是能够随时间而演化的，能够与患者的生活、生理、心理、治疗过程发生交互影响，通过虚拟现实系统观察不同器官间的模型的互相影响，不同的治疗方案同时实施时的互相影响，从而产生不同的生理变化和心理变化；通过对患者的疾患部位或器官的模型建构，对于部分器官或生物系统的局部或整个个体的模型建构，通过3D虚拟视频模型和3D语音模型向用户直观展示疾患或病理的动态演化过程，用户可以从组织或器官的宏观角度观察疾患或病理的生物学演化机制和治疗方案对生物体的影响全过程，也可以从更微观的分子生物学角度观察不同器官组织的细胞与药物和病原体交互过程和治疗方案的微观演化过程，从而制定更有针对性的治疗方案。

上述培训与考核选择模块，通过调用培训与考核题库，进行对使用者的操作指导，实验的流程，虚拟现实服务器通过调用医疗器械和药物模型库用于存储学生培训的3D操作动作及其语音，通过调动医疗器械和药物模型库来达到对于各种对患者及实验体或实验体操作讲解及其示范。

上述手术阶段选择模块(106)，对于患者进行术前准备、术中步骤注意事项、术后处理等不同时间进行分阶段建模，让学生能够完整地掌握不同阶段的治疗和护理知识；首先通过虚拟场景模型库建构，建构术前场景，对于患者的术前准备对患者及实验体模型、医师模型等构建，通过建构术前场景，通过虚拟现实系统观察患者的术前准备情况和生理、心理特征，并通过虚拟现实系统完成必要的术前检查和患者沟通，并对术前技能进行动态培训或考核，通过建构术中虚拟现实场景，从3D场景完整了解手术实施过程，不同的疾患和治疗方案所需的全套医疗器械和药物和护理方法，患者患病部位的完整手术过程和术中操作步骤，手术过程中所需的人员配合及注意事项；多名学员能够通过虚拟现实系统交互，共同配合完成手术的实施和治疗过程，并进行动态培训或考核；通过建构术后虚拟现实场景，完整地掌握患者的术后处理过程，观察患病部位的生理学演化过程，治疗方案和术后护理方案对患者不同部位的影响和动态演化过程，观察患者术后的生理、心理变化过程，进行动态培训或考核；通过用户终端的输出设备将计算结果反馈给用户，对手术操作情况进行可视化处理、分析和统计，对操作者的操作全过程进行记录，以供随时调阅和分析。

上述医疗器械和药物选择模块包括输入设备、输出设备，输入设备是虚拟现实系统的输入接口，用于检测用户的状态、位置、生理参数，为构建力学可视化环境采集必要的数据；所述输入设备包括数据医疗器械、三维定位跟踪设备、摄像头，用来采集并传输用户与服务器交互的输入信息。

上述疾患和治疗方案选择模块,用于从疾患和治疗方案模型库选择不同的疾患模型，为用户提供不同的疾患演化过程展示和治疗过程展示；多台虚拟现实系统能够同时观察不同患者对同一疾患的反应过程，以及多种治疗方案对同一名患者的不同治疗效果和副作用，以及同一治疗方案在不同患者身上的治疗过程和副作用。

上述输出设备是虚拟现实系统的输出接口,用于将服务器输出信息展现给用户；输出设备包括视觉感知设备、听觉感知设备、触觉感知设备，输出设备用于将虚拟世界中各种感知数据和力学数据，转变为人所能感受的多通道刺激信号。

上述数据医疗器械，是虚拟现实系统的中断输入设备，其功能是将现实世界中教师和学生的各种操作进行捕获，同时给予一定的反作用力，使其具有近乎真实的手术体验，同时医疗器械的重量及手握住部分通过蓝牙模块向输入设备手机等，传入指令，通过数据医疗器械的马达的推力，来提供反作用力，来达到一个真实的手术操作体验。

进一步地，所述的基于虚拟现实的手术培训与考核方法，能够通过虚拟实现系统模拟疾患和病理的时间演化过程。用户能够通过虚拟现实系统观察患者的生活、生理、心理、治疗过程是如何发生交互影响和副作用，并仔细观察不同器官间和不同组织间的互相影响过程，从而以平时根本看不到的视角观察疾患的生物学演化过程，药物进入生物体或人体后的释放过程、衰减过程、药物的排放过程、药物的副作用情况。进一步地，还能够通过多台虚拟现实系统同时观察同一名患者的病理演化过程，不同的观察者能够从不同的角度观察到不同的病患演化过程；进一步地，还可以通过多台虚拟现实系统观察不同患者对同一疾患的反应过程，包括不同的患者的不同体质、不同心理素质、不同生活方式、不同的手术方式、不同的手术时间、不同的服药时间对同一疾病的影响过程和副作用，从而为该疾病的治疗提供生活方式、心理、手术方式、副作用等方面的详细指导，和针对患者个性特征的治疗方案，提高治疗效果。

进一步地，所述的基于虚拟现实的手术培训与考核方法，能够观察宏观和微观的手术过程。通过对患者的疾患部位或器官的模型建构，构建部分器官或生物系统的局部或整个个体的模型建构，并结合医疗器械模型和药物模型，观察手术过程医疗器械如何与病患部位接触，以及医疗器械如何处理组织器官的。进一步地，通过3D虚拟视频模型和3D语音模型向用户直观展示医疗器械在手术过程中处理疾患或病理的随时间演化过程，多名用户可以使用多台虚拟现实设备从组织或器官的宏观角度观察疾患或病理组织或器官的病变演化过程和手术恢复过程，也可以通过多台虚拟现实系统练习手术过程中所需的配合操作；进一步地，通过虚拟现实系统的放大功能可以观察细胞、血管、骨骼的微观结构和演化过程，以及从更微观的分子生物学角度观察不同器官组织的细胞与药物和病原体交互过程，还能观察到平时根本看不到的治疗过程，包括伽玛刀和放射性治疗方式对人体的影响和副作用，从而制定更有针对性的治疗方案。

进一步地，所述的基于虚拟现实的手术培训与考核方法，可以通过虚拟现实系统仿真不同的治疗方案。不同于传统的手术过程只能实施一次，且无法同时尝试不同的治疗方案，本申请文件能够在多台虚拟现实系统中由不同用户同时尝试多种治疗方案，通过服务器和多台虚拟现实系统的并行运算和重复计算，能够在最短的时间内完成不同治疗方案的比较，并从治疗效果、治疗成本、治疗时间、副作用等方面进行详细比较，从中选出最优的治疗方案，且在虚拟现实系统中同时仿真尝试不同的治疗方案并不会对患者生产任何生理或心理方面的不良影响。本申请文件还能够在手术实施前反复仿真尝试治疗方案，通过虚拟现实系统仿真能够发现不同的治疗方案在真实手术实施中可能出现的风险问题和副作用问题，以便制订有针对性的措施，从而大大减少正式手术实施时可能出现的风险。

采用上述技术方案，能带来以下技术效果：

1)能够借助虚拟现实系统完成手术培训与考核。具有虚拟场景模型库，用来存放整个虚拟世界中所有对象的3D模型，以及不同用户虚拟现实交互计算的中间结果，并结合数据可视化技术，以一种更形象、更直观的方式展现不同用户在对实验物手术操作的动态过程、人体各组织、器官在不同手术阶段的数据模型、患者在不同手术阶段的表情、声音、身体姿态，及手术操作器与实验物的动态关系、实验物在动态手术操作中的动态变化。

2)能够借助虚拟现实系统验证和模拟治疗方案。具有虚拟医疗器械和药物模型库，虚拟医疗器械和药物模型库用于存储学生培训的3D操作动作及其语音，通过调动医疗器械和药物模型库来达到对于各种对患者及实验体或实验体操作讲解及其示范，通过虚拟现实构建的医师，让使用者身临其境的与名师或国内任何老师进行互动及接受讲解，让培训达到完美的效果。

3)能够借助虚拟现实系统观察疾患的演化机理。虚拟疾患和治疗方案模型库用于存储各种不同疾病的患者局部组织或部分器官3D模型及实验体的各种生物结构局部或整体，虚拟疾患和治疗方案模型库是能够随时间而演化的，能够与患者的生活、生理、心理、治疗发生交互影响，不同器官间的模型也能互相影响，从而产生不同的生理变化和心理变化；通过对患者的疾患部位或器官的模型建构，对于部分器官或生物系统的局部或整个个体的模型建构，通过3D虚拟视频模型和3D语音模型向用户直观展示疾患或病理的动态演化过程，用户可以从组织或器官的宏观角度观察疾患或病理的生物学演化机制，也可以从更微观的分子生物学角度观察不同器官组织的细胞与药物和病原体交互过程，从而制定更有针对性的治疗方案。

4)手术技能的培训和考核更加环保和安全。使用虚拟现实系统进行手术培训，更加具有立体感，真实感，不会造成尸体的浪费及污染，无需要消耗真实的医疗器材和药物，减少医疗器材使用次数，延长医疗器械的使用寿命，减少药物的消耗，减少感染发生率及患者风险。不需要实际的材料消耗，就能为学生增加实际操作经验，学习资源，手术技能培训，以及完成治疗方案的设计，并在重大手术实施前进行多次预操作，极大减少手术风险，对可能出现的风险提供更有针对性的预防措施，提高手术的安全性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的实施例示意图；

图3为本发明的工作流程图。

具体实施方式

如图1和图2所示一种基于虚拟现实的手术培训与考核方法，它包括数据库模块和执行模块，数据库模块分为培训与考核题库101、手术阶段场景模型库102、医疗器械和药物模型库103以及疾患和治疗方案模型库104，执行模块包括培训与考核选择模块105，手术阶段选择模块106，医疗器械和药物选择模块107，疾患和治疗方案选择模块108，培训与考核选择模块105依次与手术阶段选择模块106，医疗器械和药物选择模块107，疾患和治疗方案选择模块108连接。

所述培训与考核题库101包括培训操作演示模型库、培训操作指导模型库、考核试题模型库，所述培训操作演示模型库、培训操作指导模型库是虚拟现实系统的培训考核建模库，用于根据培训、考核使用者的标准、规则及手术指导，将教师端、学生端的计算机和虚拟现实系统终端组合起来，结合手术阶段场景模型库、医疗器械和药物模型库、疾患和治疗方案模型库构建多人、单人虚拟现实场景。

所述手术阶段场景模型库102用来存放整个虚拟世界中所有对象的3D模型，以及不同用户虚拟现实交互计算的中间结果，并结合数据可视化技术，以一种更形象、更直观的方式展现不同用户在对实验物手术操作的动态过程、人体各组织、器官在不同手术阶段的数据模型、患者在不同手术阶段的表情、声音、身体姿态，及手术操作器与实验物的动态关系、实验物在动态手术操作中的动态变化，建立患者和病患部位随时间演化的动态模型，真实反映身体器官组织随患者生活、饮食、心理、治疗方案不同而发生生理变化的过程，构建术前、术中、术后的虚拟现实场景。

所述医疗器械和药物模型库103，虚拟医疗器械和药物模型库用于存储学生培训的3D操作动作及其语音，通过调动医疗器械和药物模型库来达到对于各种对患者及实验体或实验体操作讲解及其示范，将教师端、学生端的计算机和虚拟现实系统终端组合起来，结合手术阶段场景模型库、医疗器械和药物模型库、疾患和治疗方案模型库构建多人、单人虚拟现实场景。

所述疾患和治疗方案模型库104，虚拟疾患和治疗方案模型库用于存储各种不同疾病的患者局部组织或部分器官3D模型及实验体的各种生物结构局部或整体；进一步地，虚拟疾患和治疗方案模型库是能够随时间而演化的，能够与患者的生活、生理、心理、治疗发生交互影响，不同器官间的模型也能互相影响，从而产生不同的生理变化和心理变化；通过对患者的疾患部位或器官的模型建构，对于部分器官或生物系统的局部或整个个体的模型建构，通过3D虚拟视频模型和3D语音模型向用户直观展示疾患或病理的动态演化过程，用户可以从组织或器官的宏观角度观察疾患或病理的生物学演化机制，也可以从更微观的分子生物学角度观察不同器官组织的细胞与药物和病原体交互过程，从而制定更有针对性的治疗方案。

所述培训与考核选择模块105，通过调用培训与考核题库101，进行对使用者的操作指导，实验的流程，虚拟现实服务器通过调用医疗器械和药物模型库103用于存储学生培训的3D操作动作及其语音，通过调动医疗器械和药物模型库103来达到对于各种对患者及实验体或实验体操作讲解及其示范。

所述手术阶段选择模块106，对于患者进行术前准备、术中步骤注意事项、术后处理等不同时间进行分阶段建模，让学生能够完整地掌握不同阶段的治疗和护理知识；首先通过虚拟场景模型库建构，建构术前场景，对于患者的术前准备对患者及实验体模型、医师模型等构建，通过建构术前场景，通过虚拟现实系统观察患者的术前准备情况和生理、心理特征，并通过虚拟现实系统完成必要的术前检查和患者沟通，并对术前技能进行动态培训或考核。通过建构术中虚拟现实场景，从3D场景完整了解手术实施过程，不同的疾患和治疗方案所需的全套医疗器械和药物，患者患病部位的完整手术过程和术中操作步骤，及注意事项；进一步地，多名学员能够通过虚拟现实系统交互，共同配合完成手术的实施和治疗过程，并进行动态培训或考核。通过建构术后虚拟现实场景，完整地掌握患者的术后处理过程，观察患病部位的生理学演化过程，治疗方案和术后护理方案对患者不同部位的影响和动态演化过程，观察患者术后的生理、心理变化过程，进行动态培训或考核。进一步的通过用户终端的输出设备将计算结果反馈给用户，对手术操作情况进行可视化处理、分析和统计，对操作者的操作全过程进行记录，以供随时调阅和分析。

所述医疗器械和药物选择模块107包括输入设备、输出设备，输入设备是虚拟现实系统的输入接口，用于检测用户的状态、位置、生理参数，为构建力学可视化环境采集必要的数据；所述输入设备包括数据医疗器械、三维定位跟踪设备、摄像头，用来采集并传输用户与服务器交互的输入信息。

所述输出设备是虚拟现实系统的输出接口,用于将服务器输出信息展现给用户；输出设备包括视觉感知设备、听觉感知设备、触觉感知设备，输出设备用于将虚拟世界中各种感知数据和力学数据，转变为人所能感受的多通道刺激信号。

所述数据医疗器械，是虚拟现实系统的中断输入设备，其功能是将现实世界中教师和学生的各种操作进行捕获，同时给予一定的反作用力，使其具有近乎真实的手术体验，同时医疗器械的重量及手握住部分通过蓝牙模块向输入设备手机等，传入指令，通过数据医疗器械的马达的推力，来提供反作用力，来达到一个真实的手术操作体验。

以上数据库可选择ACCESS数据库和/或Cassandra数据库；以上虚拟现实场景的建立可采用三维现实数据库和GIS数据库。

所述三维定位跟踪设备，空间跟踪定位器或叫三维空降传感器是一种能实时地检测活动着的物体在六个自由度上相对于某个固定物体的数值，即在X、Y、Z坐标上的位置值，以及围绕X、Y、Z轴的旋转值。这种三维空间传感器对被检测的物体必须是无干扰的，也就是说，不论这种传感器是基于何种原理和应用何种技术，它都不应影响被测物体的运动，即俗称为：“非接触式传感器”。在虚拟现实技术中广泛使用的是低频磁场式和超声式传感器。低频磁场式传感器的低频磁场是由该中传感器的磁场发射器产生的，该发射器有三个正交的天线组成，在接受器内也安装一个正交天线，它被安装在远处的运动物体上，根据接受器所接受到的磁场，可以计算出接受器相对于发射器的位置和方向，并通过通信电缆把数据传送给主计算机。因此，计算机能间接的跟踪运动物体相对于反射器的位置和方向。在虚拟现实环境中，这种传感器常被用来安装在数据手套和头盔显示器上。

所述摄像头，安装与虚拟现实系统中，是虚拟现实系统的输入设备，其功能是将现实世界中的用户各种位置、动作信息转换为计算机能够处理的数字信号。优选地使用ALLie摄像头；视场360度乘以360度环视，无盲点；其光学配置为两个鱼眼镜头，背到后面，可靠性高，无运动部件；每个镜头：所有的玻璃，FOV＝200度，F#＝2.8；图像传感器：2×OV10823，类型1/2.6,10.5Megapixel，CMOS有效像素4320×2432；分辨率和FPS：2448×2448@每个传感器20FPS(12MP总)；图像信号处理为自动白平衡，自动增益，降噪；品台/处理器：高通Snapdragon800；视频压缩：H.264；比特率：2-4兆比特/秒的离开模式。

所述输出设备是虚拟现实系统的输出接口,用于将服务器输出信息展现给用户；所述输出设备包括视觉感知设备、听觉感知设备、触觉感知设备，输出设备用于将虚拟世界中各种感知数据和力学数据，转变为人所能感受的多通道刺激信号。

所述视觉感知设备，即虚拟现实头显，与学生端计算机相连，采用多个设备，以适应进行多人手术，虚拟现实头显利用人的左右眼获取信息差异，将虚拟现实的流程和场景转变为人体所能接受的视觉信息。优选使用真VR一体机；频率为2.0GHZ SG，544显卡，2GDDR3内存，16G闪存，64G TF卡，H.265支持硬解码,支持4K解码。是一种多功能VR头显。

所述听觉感知设备，即耳机，安装于虚拟现实头显上。其功能是耳机将虚拟场景中的语音和提示信息转变为考生所能听到的声音。优选使用拜亚RSX700耳机，该耳机是一款无线、HiFi(高保真)耳机，属于3D耳机的范畴，佩戴方式为头戴式，重量290克，不会让用户感到头部被压迫，频响范围为20-200000Hz；人类听力的范围理论上是20Hz～20000Hz，该耳机的频响范围超出了人类可听见的声音的频率范围，达到了高保真耳机的基本要求，所谓高保真，就是可以让用户感受原汁原味的声音，如和虚拟场景中的“人物”进行交流，就好像自己和他在面对面交流，非常真切；或者用户通过耳机听见自己的发音，也不会出现失真等情况；灵敏度为113dB，灵敏度是指向耳机输入1毫瓦的功率时耳机所能发出的声压级(声压的单位是分贝，声压越大音量越大)，所以一般灵敏度越高，耳机越容易出声、越容易驱动；信噪比90dB，信噪比是指信号的有用成份与杂音的强弱对比，常常用分贝数表示；耳机的信噪比越高表明它产生的杂音越少；总谐波失真<1％,声音还原度高；360°3D声场，让用户仿佛身处现实的考试环境中。

所述触觉感知设备，即加速度传感器mpu6050，通过测量xyz的加速度通过一系列几何运算，一阶滤波，及卡尔曼滤波，获得医疗器械的三维加速度，计算其产生的力，通过pid算法调节，精确的控制电机的转速，来模拟其真实手术现场的触觉信息。

如图2所示，为本发明一种基于虚拟现实的手术培训与考核方法的实施示意图。交互系统中，服务器是支撑整个系统信息交互，数据存储与分析，场景构建等一系列操作的中心服务器，服务器通过第一交互平台，与教师端和学生端进行信息与指令交互，通过教师端的命令，服务器可调出学生资料并调用培训与考核题库(101)，虚拟医疗器械和药物模型库(103)，虚拟疾患和治疗方案模型库(104)，构建考试模块与培训模块。服务器能够用于教师和学生登录，完成培训功能和考核功能，用于响应学生操作计算和老师批改阅卷，以及对成绩的查询和VR的回放，并包括详细的实时讲解，必要时能够对模型库进行必要的调整。

所述服务器，与教师端计算机与学生端计算机相连，优选地，使用两台或多台型号为E7-4800V3/E7-8800V3的服务器；该款服务器的处理器为4颗E7-4800v3/E7-8800v3系列处理器，芯片组：C602J，QPI：9.6GT/s；内存类型：32个DIMM插槽，支持DDR4 2133/1866/1600MHz ECC RDIMM内存；内存容量：64GB,16GB,8GB,4GB,最大1TB；存储：6块3.5英寸/2.5英寸SATA/SAS热插拔硬盘；RAID：RAID 0,1,10(R5选配)；网络：2个i350GE，虚拟化加速、网络加速、负载均衡、冗余等高级功能；PCIe扩展：2个PCIe3.0x8，2个PCIe 3.0x16；显示：Aspeed AST2400；具有独立接口，支持IPMI，可提供GUI用户管理界面、虚拟KVM、虚拟媒体SOL、远程控制、硬件监控等管理特性，包含3个USB 2.0接口和1个COM接口；电源为1400W冗余电源。

所述电源模块，安装在该计算机服务器箱内的封闭式独立部件，优选地，使用SUPER FLOWER电源，该电源额定功率为650W，支持2台以上电源冗余使用，效率为89％，相对来说，具有功耗小、效率高的优点。输入电压为100-240v；主动PFC(功率因数校正)，功率因数高达0.99、低损耗和高可靠、输入电压可以从90V到270V(宽幅输入)等，由于输出DC电压纹波很小，因此采用主动式PFC的电源不需要采用很大容量的滤波电容。4pin+4pin CPU12V供电接口；具有FDB动态液压风扇，散热效果良好，且具有噪声小的特点。它的作用是是将交流电通过一个开关电源变压器换为5V，-5V，+12V，-12V，+3.3V等稳定的直流电，以供应服务器箱内系统版，软盘，硬盘驱动及各种适配器扩展卡等系统部件使用。

所述内存条，放置于计算机中，优选地，使用HYPERX HX424C12PBK4-32内存条，该内存条容量为8GB×4根，内存频率为2400MHz，传输类型为DDR4。其作用是用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。只要虚拟现实计算机在运行中，CPU就会把需要运算的数据调到内存中进行运算，当运算完成后CPU再将结果传送出来，内存的运行也决定了计算机的稳定运行。

所述硬盘，优选地，使用西部数据-蓝盘WD60EZRZ，硬盘容量6000GB，单碟容量1000GB，缓存64MB，转速5400rpm，接口类型为SATA3.0。硬盘是虚拟现实计算机主要的存储媒介之一，由于基于虚拟现实的外语学习方法和系统需要根据用户的选择再现虚拟的适合英文交流的场景，并且场景等的显示不能出现延迟、卡顿等情况，否则会影响用户正常的体验，除此之外，还需要存储大量音频以及支持系统运行所必须的相关软件等，一般的存储媒介满足不了这样超大容量和高存取速率的要求，因此采用了容量为6TB(硬盘厂商在标称硬盘容量时通常取1G＝1000MB)、转速为5400rpm的硬盘。该硬盘由6个铝制碟片组成，碟片外覆盖有铁磁性材料。SATA接口具有抗干扰性强，支持热拔插等功能。

所述教师端计算机，用于连接教师虚拟现实头盔、VR操作模块、摄像头阵列、音频模块，能够完成培训考试规则编辑、器械和药物编辑、疾患和病理编辑。优选地，使用1台型号为E7-4800V3/E7-8800V3的服务器；该款服务器的处理器为4颗E7-4800v3/E7-8800v3系列处理器，芯片组：C602J，QPI：9.6GT/s；内存类型：32个DIMM插槽，支持DDR4 2133/1866/1600MHz ECC RDIMM内存；内存容量：64GB,16GB,8GB,4GB,最大1TB；存储：6块3.5英寸/2.5英寸SATA/SAS热插拔硬盘；RAID：RAID 0,1,10(R5选配)；网络：2个i350GE，虚拟化加速、网络加速、负载均衡、冗余等高级功能；PCIe扩展：2个PCIe 3.0x8，2个PCIe 3.0x16；显示：Aspeed AST2400；具有独立接口，支持IPMI，可提供GUI用户管理界面、虚拟KVM、虚拟媒体SOL、远程控制、硬件监控等管理特性，包含3个USB 2.0接口和1个COM接口；电源为1400W冗余电源。

所述学生端计算机，用于连接学生端VR头戴设备、VR手术操作器、摄像头阵列、音频模块；优选地，为多台计算机。优选地，处理器为英特尔酷睿i7 7代系列，Intel酷睿i77700T，CPU主频2.9GHz，最高睿频3.8GHz，总线规格DMI3 8GT/s，缓存L3 8MB，核心代号KabyLake，核心/线程数四核心/八线程，制程工艺14nm；存储设备为内存容量16GB，内存类型DDR4，最大内存容量16GB，硬盘容量2TB+128GB混合硬盘(SSD+HDD)，光驱类型为内置光驱；显卡类型为独立显卡，显卡芯片NVIDIA Geforce 940MX，显存容量2GB显示屏，屏幕尺寸27英寸，屏幕分辨率2560x1440，屏幕比例16:9，背光类型QHD，屏幕描述IPS屏，窄边框，超薄，支持触摸；网络通讯包括支持蓝牙功能，无线网卡支持802.11ac无线协议，有线网卡1000Mbps以太网卡I/O接口，数据接口1×USB3.0Type-C，2×USB2.0，2×USB3.0，音频接口耳机/麦克风两用接口，视频接口HDMI，网络接口RJ45(网络接口)，其它接口包括电源接口。

所述数据库，安装于核心机房，与服务器通过光纤通道相连。优选地，高速缓存标配8GB，可升级至32GB，外接主机通道可选2个千兆iSCSI/NAS主机接口，最大支持6个千兆iSCSI/NAS主机接口，RAID支持0，1，5，6，内置硬盘接口包括SSD、SAS、NL-SAS，控制器为单控制器，硬盘数量支持96块硬盘，扩展接口包括24Gb SAS宽端口，扩展柜：2U12、4U60，支持应用包括LUN在线扩容，主机接口聚合，快照。

如图3所示，为本发明一种基于虚拟现实的手术培训与考核方法的工作流程图。服务器可响应用户的登录指令，分别根据登录角色完成教师登录和学生登录；根据教师和学生的登录角色和权限调用虚拟场景模型库，教师可以构建授课或监考的虚拟场景，学生可以构建培训或考试的虚拟场景，教师与学生还能够对病患和治疗方案进行仿真，在实施手术前通过虚拟现实系统对手术过程仿真操作一遍，降低手术风险；进一步地，服务器根据不同场景访问数据库中模型构建虚拟医疗器械和药物模型库，虚拟疾患和治疗方案模型库，通过3D图像集成以及图片处理及图像渲染来构建术前、术中、术后的虚拟现实场景进行手术操作，服务器通过输出设备包括视觉感知设备、听觉感知设备、触觉感知设备将虚拟世界中各种感知数据和力学数据，转变为人所能感受的多通道刺激信号，通过输入设备包括数据医疗器械、三维定位跟踪设备、摄像头储存手术操作数据；服务器能够响应学生的培训结束或考试结束的请求，并在学生点击提交时将数据传输到教师端进行审阅，服务器能够响应教师的批阅和评分请求；评阅完成后，学生能够通过服务器完成成绩查询。进一步地，教师能够通过虚拟现实系统对数据库进行维护，包括模型的增加、删除、修改、更新等操作；学生能够通过交流平台用于学生之间的学习讨论和经验交流分享。

上述数据医疗器械，是虚拟现实系统的中断输入设备，其功能是将现实世界中教师和学生的各种操作进行捕获，同时给予一定的反作用力，使其具有近乎真实的手术体验，同时医疗器械的重量及手握住部分通过蓝牙模块向输入设备手机等，传入指令，通过数据医疗器械的马达的推力，来提供反作用力，来达到一个真实的手术操作体验。

进一步地，所述的基于虚拟现实的手术培训与考核方法，能够通过虚拟实现系统模拟疾患和病理的时间演化过程。用户能够通过虚拟现实系统观察患者的生活、生理、心理、治疗过程是如何发生交互影响和副作用，并仔细观察不同器官间和不同组织间的互相影响过程，从而以平时根本看不到的视角观察疾患的生物学演化过程，药物进入生物体或人体后的释放过程、衰减过程、药物的排放过程、药物的副作用情况。进一步地，还能够通过多台虚拟现实系统同时观察同一名患者的病理演化过程，不同的观察者能够从不同的角度观察到不同的病患演化过程；进一步地，还可以通过多台虚拟现实系统观察不同患者对同一疾患的反应过程，包括不同的患者的不同体质、不同心理素质、不同生活方式、不同的手术方式、不同的手术时间、不同的服药时间对同一疾病的影响过程和副作用，从而为该疾病的治疗提供生活方式、心理、手术方式、副作用等方面的详细指导，和针对患者个性特征的治疗方案，提高治疗效果。

进一步地，所述的基于虚拟现实的手术培训与考核方法，能够观察宏观和微观的手术过程。通过对患者的疾患部位或器官的模型建构，构建部分器官或生物系统的局部或整个个体的模型建构，并结合医疗器械模型和药物模型，观察手术过程医疗器械如何与病患部位接触，以及医疗器械如何处理组织器官的。进一步地，通过3D虚拟视频模型和3D语音模型向用户直观展示医疗器械在手术过程中处理疾患或病理的随时间演化过程，多名用户可以使用多台虚拟现实设备从组织或器官的宏观角度观察疾患或病理组织或器官的病变演化过程和手术恢复过程，也可以通过多台虚拟现实系统练习手术过程中所需的配合操作；进一步地，通过虚拟现实系统的放大功能可以观察细胞、血管、骨骼的微观结构和演化过程，以及从更微观的分子生物学角度观察不同器官组织的细胞与药物和病原体交互过程，还能观察到平时根本看不到的治疗过程，包括伽玛刀和放射性治疗方式对人体的影响和副作用，从而制定更有针对性的治疗方案。

进一步地，所述的基于虚拟现实的手术培训与考核方法，可以通过虚拟现实系统仿真不同的治疗方案。不同于传统的手术过程只能实施一次，且无法同时尝试不同的治疗方案，本申请文件能够在多台虚拟现实系统中由不同用户同时尝试多种治疗方案，通过服务器和多台虚拟现实系统的并行运算和重复计算，能够在最短的时间内完成不同治疗方案的比较，并从治疗效果、治疗成本、治疗时间、副作用等方面进行详细比较，从中选出最优的治疗方案，且在虚拟现实系统中同时仿真尝试不同的治疗方案并不会对患者生产任何生理或心理方面的不良影响。本申请文件还能够在手术实施前反复仿真尝试治疗方案，通过虚拟现实系统仿真能够发现不同的治疗方案在真实手术实施中可能出现的风险问题和副作用问题，以便制订有针对性的措施，从而大大减少正式手术实施时可能出现的风险。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于虚拟现实的手术培训与考核方法，其特征在于：它包括数据库模块和执行模块，数据库模块分为培训与考核题库(101)、手术阶段场景模型库(102)、医疗器械和药物模型库(103)以及疾患和治疗方案模型库(104)，执行模块包括培训与考核选择模块(105)、手术阶段选择模块(106)、医疗器械和药物选择模块(107)以及疾患和治疗方案选择模块(108)，培训与考核选择模块(105)依次与手术阶段选择模块(106)、医疗器械和药物选择模块(107)、疾患和治疗方案选择模块(108)连接。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的手术培训与考核方法，其特征在于：所述培训与考核题库(101)包括培训操作演示模型库、培训操作指导模型库以及考核试题模型库，所述培训操作演示模型库以及培训操作指导模型库是虚拟现实系统的培训考核建模库，用于根据培训、考核使用者的标准、规则及手术指导，可将教师端、学生端的计算机和虚拟现实系统终端组合起来，结合手术阶段场景模型库、医疗器械和药物模型库、疾患和治疗方案模型库构建多人、单人虚拟现实场景。

3.根据权利要求1或2所述的基于虚拟现实的手术培训与考核方法，其特征在于：所述手术阶段场景模型库(102)用来存放整个虚拟世界中所有对象的3D模型，以及不同用户虚拟现实交互计算的中间结果，并结合数据可视化技术，以更形象、更直观的方式展现不同用户在对实验物手术操作的动态过程、人体各组织、器官在不同手术阶段的数据模型以及患者在不同手术阶段的表情、声音、身体姿态，及手术操作器与实验物的动态关系、实验物在动态手术操作中的动态变化，建立患者和病患部位随时间演化的动态模型，真实反映身体器官组织随患者生活、饮食、心理、治疗方案不同而发生生理变化的过程，构建术前、术中、术后的虚拟现实场景。

4.根据权利要求3所述的基于虚拟现实的手术培训与考核方法，其特征在于：所述医疗器械和药物模型库(103)，虚拟医疗器械和药物模型库用于存储学生培训的3D操作动作及其语音，通过调动医疗器械和药物模型库来达到对于各种对患者及实验体或实验体操作讲解及其示范，将教师端、学生端的计算机和虚拟现实系统终端组合起来，结合手术阶段场景模型库、医疗器械和药物模型库、疾患和治疗方案模型库构建多人、单人虚拟现实场景。

5.根据权利要求1或2或4其中之一所述的基于虚拟现实的手术培训与考核方法，其特征在于:所述疾患和治疗方案模型库(104)，虚拟疾患和治疗方案模型库用于存储各种不同疾病的患者局部组织或部分器官3D模型及实验体的各种生物结构局部或整体，以及不同疾患的可能的治疗方案模型，和治疗效果数据；虚拟疾患和治疗方案模型库是能够随时间而演化的，能够与患者的生活、生理、心理、治疗过程发生交互影响，通过虚拟现实系统观察不同器官间的模型的互相影响，不同的治疗方案同时实施时的互相影响，从而产生不同的生理变化和心理变化；通过对患者的疾患部位或器官的模型建构，对于部分器官或生物系统的局部或整个个体的模型建构，通过3D虚拟视频模型和3D语音模型向用户直观展示疾患或病理的动态演化过程，用户可以从组织或器官的宏观角度观察疾患或病理的生物学演化机制和治疗方案对生物体的影响全过程，也可以从更微观的分子生物学角度观察不同器官组织的细胞与药物和病原体交互过程和治疗方案的微观演化过程，从而制定更有针对性的治疗方案。

6.根据权利要求3所述的基于虚拟现实的手术培训与考核方法，其特征在于:所述培训与考核选择模块(105)，通过调用培训与考核题库(101)，进行对使用者的操作指导，实验的流程，虚拟现实服务器通过调用医疗器械和药物模型库(103)用于存储学生培训的3D操作动作及其语音，通过调动医疗器械和药物模型库(103)来达到对于各种对患者及实验体或实验体操作讲解及其示范。

7.根据权利要求6所述的基于虚拟现实的手术培训与考核方法，其特征在于:所述手术阶段选择模块(106)，对于患者进行术前准备、术中步骤注意事项、术后处理等不同时间进行分阶段建模，让学生能够完整地掌握不同阶段的治疗和护理知识；首先通过虚拟场景模型库建构，建构术前场景，对于患者的术前准备对患者及实验体模型、医师模型等构建，通过建构术前场景，通过虚拟现实系统观察患者的术前准备情况和生理、心理特征，并通过虚拟现实系统完成必要的术前检查和患者沟通，并对术前技能进行动态培训或考核，通过建构术中虚拟现实场景，从3D场景完整了解手术实施过程，不同的疾患和治疗方案所需的全套医疗器械和药物和护理方法，患者患病部位的完整手术过程和术中操作步骤，手术过程中所需的人员配合及注意事项；多名学员能够通过虚拟现实系统交互，共同配合完成手术的实施和治疗过程，并进行动态培训或考核；通过建构术后虚拟现实场景，完整地掌握患者的术后处理过程，观察患病部位的生理学演化过程，治疗方案和术后护理方案对患者不同部位的影响和动态演化过程，观察患者术后的生理、心理变化过程，进行动态培训或考核；通过用户终端的输出设备将计算结果反馈给用户，对手术操作情况进行可视化处理、分析和统计，对操作者的操作全过程进行记录，以供随时调阅和分析。

8.根据权利要求6或7所述的基于虚拟现实的手术培训与考核方法，其特征在于:所述医疗器械和药物选择模块(107)包括输入设备、输出设备，输入设备是虚拟现实系统的输入接口，用于检测用户的状态、位置、生理参数，为构建力学可视化环境采集必要的数据；所述输入设备包括数据医疗器械、三维定位跟踪设备、摄像头，用来采集并传输用户与服务器交互的输入信息。

9.根据权利要求8所述的基于虚拟现实的手术培训与考核方法，其特征在于:所述疾患和治疗方案选择模块,用于从疾患和治疗方案模型库选择不同的疾患模型，为用户提供不同的疾患演化过程展示和治疗过程展示；多台虚拟现实系统能够同时观察不同患者对同一疾患的反应过程，以及多种治疗方案对同一名患者的不同治疗效果和副作用，以及同一治疗方案在不同患者身上的治疗过程和副作用。

10.根据权利要求8所述的基于虚拟现实的手术培训与考核方法，其特征在于:所述输出设备是虚拟现实系统的输出接口,用于将服务器输出信息展现给用户；输出设备包括视觉感知设备、听觉感知设备、触觉感知设备，输出设备用于将虚拟世界中各种感知数据和力学数据，转变为人所能感受的多通道刺激信号。