CN110459085A - 一种人体综合穿刺计算机仿真训练及考核装置 - Google Patents

Abstract

一种人体综合穿刺计算机仿真训练及考核装置，包括仿真计算机系统、三维虚拟仿真软件、三维空间跟踪定位器、穿刺针、医疗综合穿刺橡胶模型，本发明采用3D可视化技术，操作者可以在显示器上从多个角度观察穿刺针在患者体内的实时姿态和位置，从而可以不断的对穿刺针的操作进行修正，避开骨骼、筋膜、血管等重要组织器官，以恰当的穿刺路径、穿刺深度完成穿刺操作，同时，还可以图形、颜色、线条等直观形式对进针点、穿刺角度、穿刺路径以及穿刺深度等技能要点进行提示和引导，此外，本装置的还可以对穿刺操作的进针点、穿刺角度、穿刺路径以及穿刺深度等技能要点数据进行记录，实现对穿刺技能的智能评价和考核。

Description

一种人体综合穿刺计算机仿真训练及考核装置

技术领域

本发明涉及临床医学教学技术领域，特别涉及一种人体综合穿刺计算机仿真训练及考核装置。

背景技术

临床医学上经常需要采用穿刺术从体腔中取出体液用于医学病检、向体腔内注入药物用于临床治疗、向人体体腔内注入气体或造影剂做造影检查等，常用的穿刺术包括脑或脊髓腔穿刺、胸部体腔穿刺、腹部体腔和脏器穿刺、骨髓穿刺、淋巴结穿刺、关节腔穿刺、血管穿刺、鼻腔穿刺等，虽然当前已有一些自动化或者机器人介入穿刺的临床实践，然而，人工穿刺术仍然是目前非常重要的医学临床操作技能，在人工穿刺术中，医护人员一般根据医学影像确定的目标点，结合自身临床经验并根据器官组织学特性避开骨骼、筋膜、血管等重要组织器官进而确定进针点、穿刺角度、穿刺路径以及穿刺深度等，该技能严重依赖医护人员的实践经验和不断的总结提高，由于人作为医疗对象的特殊性，初级医护人员在培训穿刺术时没有条件在人体上进行反复练习，一般采用医疗模型进行练习，目前各种穿刺模型均为橡胶制品，模型内设置多个空腔并注入不同颜色液体来模拟不同的区域，操作者以此来判断穿刺路径及穿刺效果，实际上，在操作过程中操作者并不能清晰的了解穿刺针头的路径，进而也就无从知晓在穿刺过程中是否避开了筋膜、血管等重要组织器官，与临床要求差距较大，训练效果欠佳，且当前的训练手段在穿刺技能考核时无法对穿刺技能进行精确的记录和自动评价，教学自动化程度不高。

因此，非常有必要发开一种能够新型的人体综合穿刺计算机仿真训练及考核装置，能在初学者进行穿刺技能练习过程中对进针点、穿刺角度、穿刺路径以及穿刺深度等技能要点进行引导，进而能对穿刺过程中操作者的穿刺技能进行科学准确的评价，这样有助于摆脱传统的手把手的、只可意会不可言传的低效的传授方式，使初学者能快速高水平的掌握穿刺技能，提高穿刺技能的训练效率和质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种人体综合穿刺计算机仿真训练及考核装置，本发明改变了传统的低效的穿刺术训练方式，将现代高度发展的计算机技术应用到穿刺技能的训练中，以虚拟现实技术为基础，将计算机图像处理技术与临床穿刺技术相结合，形成了一套具有高科技含量、良好训练效果的人体综合穿刺计算机仿真训练及考核装置。

本发明的技术方案是：一种人体综合穿刺计算机仿真训练及考核装置，包括仿真计算机系统、三维虚拟仿真软件、三维空间跟踪定位器、穿刺针、医疗综合穿刺橡胶模型、大屏幕电视机，三维空间跟踪定位器的定位探头安置于穿刺针针筒靠近活塞手柄端处，三维空间跟踪定位器数据输出端接仿真计算机系统的USB接口，三维虚拟仿真软件运行于仿真计算机系统，大屏幕电视机通过DHMI 接口与仿真计算机系统连接，三维虚拟仿真软件包括医疗综合穿刺橡胶模型的3D模型、穿刺针3D模型、数据通讯模块、三维模型驱动模块、信息提示模块、技能示教模块、技能评价模块，医疗综合穿刺橡胶模型的3D模型在虚拟场景中固定不动，其坐标与三维空间跟踪定位器的坐标重合，穿刺针3D模型跟随穿刺针同步同姿态移动，当操作者依据临床要求操作穿刺针进行穿刺操作时，固定于穿刺针针筒靠近活塞手柄端处的三维空间跟踪定位器定位探头位姿发生同步变化，三维空间跟踪定位器测得穿刺针的位姿数据，通过数据输出端口将位姿数据实时发送至仿真计算机系统，三维虚拟仿真软件的数据通讯模块负责接收该数据，三维模型驱动模块根据该位姿数据在大屏幕电视机显示的虚拟场景中对穿刺针3D模型位姿进行刷新，使其位姿与真实穿刺针位姿保持一致。

装置上电后，穿刺技能示教功能启动，操作者在装有定位探头的穿刺针在医疗综合穿刺橡胶模型上进行穿刺操作，三维空间跟踪定位器通过定位探头采集到穿刺针位姿数据，三维虚拟仿真软件获取到穿刺针位姿数据后，驱动虚拟场景中穿刺针3D模型进行同步动作，当针头进入医疗综合穿刺橡胶模型内部后，操作者无法从该橡胶模型上观察到针头位置、穿刺路径以及穿刺深度等，此时，在大屏幕电视机显示的虚拟场景中，医疗综合穿刺3D模型的穿刺区域进行半透明化显示，操作者可以在虚拟场景中观察到针头所到位置以及周围的器官和组织分布，操作者根据此引导完成穿刺操作，对于初学者，技能示教模块根据专家经验事先设置了最优的进针点、穿刺角度、穿刺路径以及穿刺深度等信息，在初学者进行操作时，该模块以图形、颜色、线条等直观形式对进针点、穿刺角度、穿刺路径以及穿刺深度等技能要点进行提示和引导，初学者根据提示即可完成穿刺操作，当初学者掌握穿刺必要技能点后即可去掉提示信息进行练习。

穿刺技能评价功能启动后，操作者在装有定位探头的穿刺针在医疗综合穿刺橡胶模型上进行穿刺操作，三维空间跟踪定位器通过定位探头采集到穿刺针位姿数据，三维虚拟仿真软件获取到穿刺针位姿数据后，驱动虚拟场景中穿刺针3D模型进行同步动作，医疗综合穿刺3D模型为非透明显示，技能评价模块记录下穿刺针的进针点、穿刺角度、穿刺路径以及穿刺深度等技能要点数据，并结合穿刺点的骨骼、筋膜、血管等重要组织器官分布情况设置评分点，从而完成对穿刺操作技能的评价以及考核。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在传统的训练方式和临床实践上，由于穿刺针已进入到模型或者患者体内，操作者无法观察到穿刺针的穿刺路径、穿刺深度及骨骼、筋膜、血管等重要组织器官等，进而无法对穿刺技能进行精确全面的评价，使得传统的穿刺技能培训效率低下、效果欠佳。本发明提供的人体综合穿刺计算机仿真训练及考核装置采用3D可视化技术，操作者可以在显示器上从多个角度观察穿刺针在患者体内的实时姿态和位置，从而可以不断的对穿刺针的操作进行修正，避开骨骼、筋膜、血管等重要组织器官，以恰当的穿刺路径、穿刺深度完成穿刺操作，同时，还可以图形、颜色、线条等直观形式对进针点、穿刺角度、穿刺路径以及穿刺深度等技能要点进行提示和引导，此外，本装置的还可以对穿刺操作的进针点、穿刺角度、穿刺路径以及穿刺深度等技能要点数据进行记录，实现对穿刺技能的智能评价和考核。

附图说明

图1为本发明的构成框图。

图2为本发明的软件结构示意图。

图3为本发明的电气连接图。

图4为本发明的穿刺针及定位探头布置图。

图5为本发明的医疗综合穿刺橡胶模型图。

图6为本发明中的方法流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图6所示，本实施例的人体综合穿刺计算机仿真训练及考核装置，包括仿真计算机系统、三维虚拟仿真软件、三维空间跟踪定位器、穿刺针、医疗综合穿刺橡胶模型、大屏幕电视机，三维空间跟踪定位器的定位探头安置于穿刺针针筒靠近活塞手柄端处，三维空间跟踪定位器数据输出端接仿真计算机系统的USB接口，三维虚拟仿真软件运行于仿真计算机系统，大屏幕电视机通过DHMI 接口与仿真计算机系统连接，三维虚拟仿真软件包括医疗综合穿刺橡胶模型的3D模型、穿刺针3D模型、数据通讯模块、三维模型驱动模块、信息提示模块、技能示教模块、技能评价模块，医疗综合穿刺橡胶模型的3D模型在虚拟场景中固定不动，其坐标与三维空间跟踪定位器的坐标重合，穿刺针3D模型跟随穿刺针同步同姿态移动，当操作者依据临床要求操作穿刺针进行穿刺操作时，固定于穿刺针针筒靠近活塞手柄端处的三维空间跟踪定位器定位探头位姿发生同步变化，三维空间跟踪定位器测得穿刺针的位姿数据，通过数据输出端口将位姿数据实时发送至仿真计算机系统，三维虚拟仿真软件的数据通讯模块负责接收该数据，三维模型驱动模块根据该位姿数据在大屏幕电视机显示的虚拟场景中对穿刺针3D模型位姿进行刷新，使其位姿与真实穿刺针位姿保持一致。

本发明中的穿刺针、医疗穿刺橡胶模型可根据脑或脊髓腔穿刺、胸部体腔穿刺、腹部体腔和脏器穿刺、骨髓穿刺、淋巴结穿刺、关节腔穿刺、血管穿刺、鼻腔穿刺等需要选用匹配的穿刺针具和穿刺橡胶模型，并建立相对于的虚拟穿刺橡胶模型的3D模型和穿刺针3D模型供三维虚拟仿真软件各功能模块调用，虚拟3D模型可用3D MAX进行建模，三维虚拟仿真软件基于OSG三维图形引擎平台进行开发。

本发明的技能示教模块的工作过程为：装置上电后，穿刺技能示教功能启动，操作者在装有定位探头的穿刺针在医疗综合穿刺橡胶模型上进行穿刺操作，三维空间跟踪定位器通过定位探头采集到穿刺针位姿数据，三维虚拟仿真软件获取到穿刺针位姿数据后，驱动虚拟场景中穿刺针3D模型进行同步动作，当针头进入医疗综合穿刺橡胶模型内部后，操作者无法从该橡胶模型上观察到针头位置、穿刺路径以及穿刺深度等，此时，在大屏幕电视机显示的虚拟场景中，医疗综合穿刺3D模型的穿刺区域进行半透明化显示，操作者可以在虚拟场景中观察到针头所到位置以及周围的器官和组织分布，操作者根据此引导完成穿刺操作，对于初学者，技能示教模块根据专家经验事先设置了最优的进针点、穿刺角度、穿刺路径以及穿刺深度等信息，在初学者进行操作时，该模块以图形、颜色、线条等直观形式对进针点、穿刺角度、穿刺路径以及穿刺深度等技能要点进行提示和引导，初学者根据提示即可完成穿刺操作，当初学者掌握穿刺必要技能点后即可去掉提示信息进行练习。

本发明的技能评价模块的工作过程为：穿刺技能评价功能启动后，操作者在装有定位探头的穿刺针在医疗综合穿刺橡胶模型上进行穿刺操作，三维空间跟踪定位器通过定位探头采集到穿刺针位姿数据，三维虚拟仿真软件获取到穿刺针位姿数据后，驱动虚拟场景中穿刺针3D模型进行同步动作，医疗综合穿刺3D模型为非透明显示，技能评价模块记录下穿刺针的进针点、穿刺角度、穿刺路径以及穿刺深度等技能要点数据，并结合穿刺点的骨骼、筋膜、血管等重要组织器官分布情况设置评分点，从而完成对穿刺操作技能的评价以及考核。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种人体综合穿刺计算机仿真训练及考核装置，其特征在于包括仿真计算机系统、三维虚拟仿真软件、三维空间跟踪定位器、穿刺针、医疗穿刺橡胶模型、大屏幕电视机，所述三维空间跟踪定位器的定位探头安置于所述穿刺针针筒靠近活塞手柄端处，所述三维空间跟踪定位器数据输出端接所述仿真计算机系统的USB接口，所述三维虚拟仿真软件运行于所述仿真计算机系统，所述大屏幕电视机通过DHMI 接口与所述仿真计算机系统连接，所述三维虚拟仿真软件包括医疗穿刺橡胶模型的3D模型、穿刺针3D模型、数据通讯模块、三维模型驱动模块、信息提示模块、技能示教模块、技能评价模块，医疗穿刺橡胶模型的3D模型在虚拟场景中固定不动，其坐标与三维空间跟踪定位器的坐标重合，穿刺针3D模型跟随穿刺针同步同姿态移动，当操作者依据临床要求操作穿刺针进行穿刺操作时，固定于穿刺针针筒靠近活塞手柄端处的三维空间跟踪定位器定位探头位姿发生同步变化，三维空间跟踪定位器测得穿刺针的位姿数据，通过数据输出端口将位姿数据实时发送至仿真计算机系统，三维虚拟仿真软件的数据通讯模块负责接收该数据，三维模型驱动模块根据该位姿数据在大屏幕电视机显示的虚拟场景中对穿刺针3D模型位姿进行刷新，使其位姿与真实穿刺针位姿保持一致。

2.根据权利要求1所述的人体综合穿刺计算机仿真训练及考核装置，其特征在于，本装置具有穿刺技能示教功能，操作者在装有定位探头的穿刺针在医疗穿刺橡胶模型上进行穿刺操作，在大屏幕电视机显示的虚拟场景中，医疗综合穿刺3D模型的穿刺区域进行半透明化显示，操作者可以在虚拟场景中观察到针头所到位置以及周围的器官和组织分布，操作者根据此引导完成穿刺操作，穿刺技能示教功能还根据专家经验事先设置了最优的进针点、穿刺角度、穿刺路径以及穿刺深度等信息，该模块以图形、颜色、线条等直观形式对进针点、穿刺角度、穿刺路径以及穿刺深度等技能要点进行提示和引导，初学者根据提示即可完成穿刺操作。

3.根据权利要求1所述的人体综合穿刺计算机仿真训练及考核装置，其特征在于，本装置具有穿刺技能评价功能，操作者在装有定位探头的穿刺针在医疗穿刺橡胶模型上进行穿刺操作，三维空间跟踪定位器通过定位探头采集到穿刺针位姿数据，技能评价模块记录下穿刺针的进针点、穿刺角度、穿刺路径以及穿刺深度等技能要点数据，并结合穿刺点的骨骼、筋膜、血管等重要组织器官分布情况设置评分点，从而完成对穿刺操作技能的评价以及考核。