CN110473455A - 以ar为基础的高仿真腹腔手术模拟人及其模拟训练方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人及其模拟训练方法，包括人体模型和AR系统，AR系统包括定位系统和AR显示装置，人体模型于腹腔位置开设有手术腔，手术腔内可拆卸安装器脏模型手术腔内于器脏模型之间的间隙内填充有组织模拟填充层，手术腔安装有盖板，盖板包括盖板骨架和包覆于盖板骨架上的第一硅胶层，第一硅胶层上开设有模拟切口，盖板下端固定安装有充气囊，充气囊连接有充气泵，人体模型背部开设有安装腔，充气泵安装于安装腔内；用于解决用于医疗的AR模拟系统触觉和压力感受不够精确等不足，而单一的视觉模拟体验，易产生视觉疲劳，且模拟带入感较差，影响受训者的训练成效的问题。

Description

以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人及其模拟训练方法

技术领域

本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人及其模拟训练方法。

背景技术

目前，增强现实(Augmented Reality，AR)技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息(视觉信息,听觉信息,味觉信息,触觉信息等)通过计算机科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到类似现实或者超越现实的感官体验。利用AR技术，能够将真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。

模拟训练(simulation training)对医学教育培训的推进作用毋庸置疑，优化学习曲线的同时也改变着医学教育的模式；而严重战创伤的救治需要施救者在尽可能短的时间内同时针对批量伤员、多种伤情进行损害控制技术干预，力求医疗救治资源的最大化；损害控制手术干预是针对对严重战创伤，为最大限度减少内环境紊乱对伤员的损害，首先采用简单有效而损伤较小的应急救命手术处理致命损伤，不同于常规手术和急诊手术，这是一种复杂外科问题的应急分期手术方式，以提高伤员机体承受损害和维持完整性的能力；而针对救援者的相关培训不可能等待在真实环境中进行，因而模拟技术在战创伤救治培训中尤为重要。AR的出现为战创伤救治模拟培训的开展输注了新的思路和方法，尤其是AR运用于培训的迅速发展，将为战创伤救治水平的提升提供有力的技术保证。

但目前，AR技术应用于医疗手术的模拟存在价格昂贵、相关触觉和压力感受不够精确等不足，而单一的视觉模拟体验，易产生视觉疲劳，且模拟带入感较差，影响受训者的训练成效。

发明内容

基于上述背景技术中提到的问题，本发明提供了以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人，在手术训练操作中将高仿真人体模型和AR影响有机结合，通过人体模型提供受训者操作对象及触觉和压力感受，结合AR带给受训者的完整且仿真的视觉感受，以更为真实的手术模拟感优化受训者的学习曲线，减少训练时间，并通过替换手术模块而反复使用，用于解决用于医疗的AR模拟系统触觉和压力感受不够精确等不足，而单一的视觉模拟体验，易产生视觉疲劳，且模拟带入感较差，影响受训者的训练成效的问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的一方面在于提高了一种以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人，包括人体模型和AR系统，所述AR系统包括定位系统和AR显示装置，所述人体模型于腹腔位置开设有手术腔，所述手术腔内可拆卸安装有的器脏模型，所述手术腔内于器脏模型之间的间隙内填充有组织模拟填充层，所述手术腔安装有盖板，所述盖板包括盖板骨架和包覆于盖板骨架上的第一硅胶层，所述第一硅胶层上开设有模拟切口，所述盖板下端固定安装有充气囊，所述充气囊连接有充气泵，所述人体模型背部开设有安装腔，所述充气泵安装于安装腔内。

在上述技术方案的基础上本发明还做了如下改进：

进一步，所述人体模型上固定有第一扣带和第二扣带，所述第一扣带和第二扣带一端钩挂于模拟切口处，另一端套设有固定环，所述固定环上螺接有紧固螺栓。穿设于固定环上的第一扣带和第二扣带的可进行滑动调节，在紧固螺栓的作用下可将压住第一扣带和第二扣带，从而调节第一扣带和第二扣带的长度，改变第一扣带与第二扣带对模拟切口的拉力，从而可对模拟切口的开合大小进行调节，以便于对不同区域的器脏模型进行模拟训练。

进一步，所述充气囊外部套设有第二硅胶层，所述第二硅胶层内嵌设有若干金属丝网片，多个所述金属丝网片的中心区均固定于第二硅胶层上，相邻所述金属丝网片的边缘重合。通过金属丝网片对充气囊进行保护，防止在手术模拟训练时充气囊被划破，同时由于各金属丝网片均于中心位置与第二硅胶层固定连接，相邻所述金属丝网片的边缘重合，使安装金属丝网片的第二硅胶层仍具备延展性，避免充气囊在充气的过程中无法正常膨胀。

进一步，所述充气囊设有进气口和排气口，所述充气泵上安装有三通管，所述三通管的两端分别与充气泵和进气口连接，另一端安装有第一电磁通断阀，所述进气口与三通管之间连接有第二电磁通断阀，所述排气口处安装有第三电磁通断阀，所述第一电磁通断阀、第二电磁通断阀和第三电磁通断阀均连接有控制器。通过控制器对第一电磁通断阀、第二电磁通断阀和第三电磁通断阀进行开闭时间进行控制，可使充气囊处于交替充放气状态，进而使充气囊处于交替膨胀收缩状态，带动第一硅胶层收缩扩张，模拟人体呼吸，增强模拟效果。

进一步，所述组织模拟填充层包括基绳，所述基绳外壁包覆有第三硅胶层，所述第三硅胶层上一体成型有硅胶连接件，所述硅胶连接件上一体成型有硅胶套，所述硅胶套内嵌设有海绵块。设置于基绳上的第三硅胶层可随意进行弯折，使得组织模拟填充层在安放时更加简单方便，同时在基绳的作用下拆除组织模拟填充层也较为容易；同时通过海绵块的储水性，可使手术腔处于湿润状态，增强模拟效果。

进一步，所述硅胶套上开设有排液孔。通过排液孔可进行排水，方便对组织模拟填充层进行清洗。

进一步，所述定位系统包括定位板、辅助定位器和主定位器，所述辅助定位器安装于定位板上，所述主定位器包括第一肢体定位器和第二肢体定位器，所述第一肢体定位器穿设于人体模型的肩部，所述第二肢体定位器穿设于人体模型的髋部，所述辅助定位器、第一肢体定位器和第二肢体定位器均内置有信号发射器，所述AR显示装置内置信号接收。通过辅助定位器、第一肢体定位器和第二肢体定位器能较好的获取人体模型的位置参数，通过第一肢体定位器和第二肢体定位器能较好获取手术腔的位置参数，便于AR建模。

进一步，所述器脏模型底端安装第一磁铁组，所述手术腔安装有与各器脏模型相对应的第二磁铁组。器脏模型通过磁吸固定固定安装，便于器脏模型的更换及清理。

进一步，所述第二磁铁组上开设有限位槽，所述第一磁铁组上设有与限位槽相匹配的限位凸起。通过限位槽与限位凸起的配合，避免磁吸固定后的器脏模型在模拟使用时转动偏移。

本发明的另一方面在于提供了基于上述手术模拟人的手术模拟训练方法如下：

位置获取：根据定位板、辅助定位器和主定位器获取人体模型和定位板的相对位关系，以及人体模型和器脏模型的相对位置关系，通过坐标系获得位置关系参数；

影像生成：以人体模型和定位板的相对位关系、人体模型和器脏模型的相对位置关系数据为基础制作手术模拟AR影像，并与手术腔的实际操作情况相一致；

手术模拟：佩戴AR显示装置(头盔、眼镜或平板显示)，通过定位系统使AR教学影像与人体模型、器脏模型重合，使AR影像与手术操作有机结合，从视觉、触觉、压力感受等方面构建高仿真的手术场景。

本发明的有益效果：

1、通过AR系统建立真实人体手术区，学生通过佩戴的AR显示装置观看与人体模型相一致的AR影像，即手中操作的人体模型和眼中观看的AR影像相一致；

2、通过定位系统实现AR影像和人体模型手术操作的交互，使AR影像随着操作的进行而相应变化，以同时给予受训者视觉、触觉和压力感受等多方面体验，从而优化学习曲线；

3、通过设置的充气囊模拟人体呼吸膨胀收缩，同时通过组织填充层使手术腔处于湿润环境，较好的增强模拟效果，在配合AR显示装置的视觉模拟，较好的模拟手术环境，进一步增强模拟训练效果，有利于促进学生学习成长。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；

图1为本发明实施例中以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人的结构示意图；

图2为本发明实施例中以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人去除盖板后结构示意图；

图3为本发明实施例中组织模拟填充层的结构示意图；

图4为图3中A处的放大结构示意图；

主要元件符号说明如下：

人体模型1、手术腔2、第二磁铁组21、限位槽22、第一硅胶层3、模拟切口31、第一扣带41、第二扣带42、定位板5、辅助定位器51、第一肢体定位器52、第二肢体定位器53、组织模拟填充层6、第三硅胶层61、硅胶连接件62、硅胶套63、排液孔631、海绵块64。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

实施例

如图1～4所示，以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人包括人体模型1和AR系统，AR系统包括定位系统和AR显示装置，其中，AR显示装置可选用AR头盔、AR眼镜或平板显示。人体模型1于腹腔位置开设有手术腔2，手术腔2内可拆卸安装有器脏模型，其中，器脏模型底端安装第一磁铁组，手术腔2安装有与各器脏模型相对应的第二磁铁组21。器脏模型通过磁吸方式安装在手术腔2内，便于器脏模型的更换及清理，第二磁铁组21上开设有限位槽22，第一磁铁组上设有与限位槽22相匹配的限位凸起，通过限位槽22与限位凸起的配合，避免磁吸固定后的器脏模型在模拟使用时转动偏移。

手术腔2内于器脏模型之间的间隙内填充有组织模拟填充层6，组织模拟填充层6包括基绳，基绳外壁包覆有第三硅胶层61，第三硅胶层61上一体成型有硅胶连接件62，硅胶连接件62上一体成型有硅胶套63，硅胶套63内嵌设有海绵块64。同时通过海绵块64的储水性，可使手术腔2处于湿润状态，增强模拟效果，其中，硅胶套63上开设有排液孔631。通过排液孔631可进行排水，方便对组织模拟填充层进行清洗。手术腔2上安装有盖板3，盖板3包括盖板骨架和包覆于盖板骨架上的第一硅胶层3，第一硅胶层3上开设有模拟切口31，人体模型1上固定有第一扣带41和第二扣带42，第一扣带41和第二扣带42一端均钩挂于模拟切口31处，另一端套设有固定环，固定环上螺接有紧固螺栓，盖板3下端固定安装有充气囊32，充气囊32连接有充气泵，人体模型1背部开设有安装腔，充气泵安装于安装腔内。

具体地，充气囊32外部套设有第二硅胶层，第二硅胶层内嵌设有若干金属丝网片，多个金属丝网片的中心区均固定于第二硅胶层上，相邻金属丝网片的边缘重合。通过金属丝网片对充气囊32进行保护，防止在手术模拟训练时充气囊被划破。

具体地，充气囊32设有进气口和排气口，充气泵上安装有三通管，三通管的两端分别与充气泵和进气口连接，另一端安装有第一电磁通断阀，进气口与三通管之间连接有第二电磁通断阀，排气口处安装有第三电磁通断阀，第一电磁通断阀、第二电磁通断阀和第三电磁通断阀均连接有控制器。通过控制器对第一电磁通断阀、第二电磁通断阀和第三电磁通断阀进行开闭时间进行控制，可使充气囊32处于交替充放气状态，进而使充气囊32处于交替膨胀收缩状态，带动第一硅胶层3收缩扩张，模拟人体呼吸，增强模拟效果。其中，第一电磁通断阀和第三电磁通断阀关闭第二电磁通断阀打开时，充气囊32充气膨胀；第一电磁通断阀和第三电磁通断阀打开第二电磁通断阀关闭时，充气囊32放气收缩。

进一步，定位系统包括定位板5、辅助定位器51和主定位器，辅助定位器51安装于定位板5上，主定位器包括第一肢体定位器52和第二肢体定位器53，第一肢体定位器52穿设于人体模型1的肩部，第二肢体定位器53穿设于人体模型1的髋部，辅助定位器51、第一肢体定位器52和第二肢体定位器53均内置有信号发射器，AR显示装置内置信号接收器，信号发射器和信号接收器通讯连接。通过辅助定位器51、第一肢体定位器52和第二肢体定位器53能较好的获取人体模型的位置参数，通过第一肢体定位器52和第二肢体定位器53能较好获取手术腔的位置参数，便于AR建模。

在模拟训练时，将需要进行模拟训练的器脏模型固定安装于定位板5上的人体模型1中，并将器脏模型安装在对应人体器官的位置，器脏模型通过第一磁铁组和第二磁铁组固定于手术腔2内；然后，将组织模拟填充层在水中浸泡，使海绵块64充分吸水后将组织模拟填充层置于双手腔2中各器脏模型之间的间隙内；最后，穿戴AR显示装置，播放预制的AR影像，使用者在观看AR影像的同时可对人体模型1中器脏模型进行手术操作；在操作过时，启动充气泵，控制器控制第一电磁通断阀、第三电磁通断阀和第二电磁通断阀交替启闭，当第一电磁通断阀、第三电磁通断阀同时打开时第二电磁通断阀关闭，第一电磁通断阀、第三电磁通断阀同时关闭时第二电磁通断阀开启，使充气囊32交替充气和放气模拟人体呼吸。

以上对本发明提供的以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人，包括人体模型(1)和AR系统，所述AR系统包括定位系统和AR显示装置，其特征在于：所述人体模型(1)于腹腔位置开设有手术腔(2)，所述手术腔(2)内可拆卸安装有的器脏模型，所述手术腔(2)内于器脏模型之间的间隙内填充有组织模拟填充层(6)，所述手术腔(2)安装有盖板(3)，所述盖板(3)包括盖板骨架和包覆于盖板骨架上的第一硅胶层(3)，所述第一硅胶层(3)上开设有模拟切口(31)，所述盖板(3)下端固定安装有充气囊(32)，所述充气囊(32)连接有充气泵，所述人体模型(1)背部开设有安装腔，所述充气泵安装于安装腔内。

2.根据权利要求1所述以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人，其特征在于：所述充气囊(32)外部套设有第二硅胶层，所述第二硅胶层内嵌设有若干金属丝网片，多个所述金属丝网片的中心区均固定于第二硅胶层上，相邻所述金属丝网片的边缘重合。

3.根据权利要求2所述以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人，其特征在于：所述充气囊(32)设有进气口和排气口，所述充气泵上安装有三通管，所述三通管的两端分别与充气泵和进气口连接，另一端安装有第一电磁通断阀，所述进气口与三通管之间连接有第二电磁通断阀，所述排气口处安装有第三电磁通断阀，所述第一电磁通断阀、第二电磁通断阀和第三电磁通断阀均连接有控制器。

4.根据权利要求1所述以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人，其特征在于：所述组织模拟填充层(6)包括基绳，所述基绳外壁包覆有第三硅胶层(61)，所述第三硅胶层(61)上一体成型有硅胶连接件(62)，所述硅胶连接件(62)上一体成型有硅胶套(63)，所述硅胶套(63)内嵌设有海绵块(64)。

5.根据权利要求1所述以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人，其特征在于：所述硅胶套(63)上开设有排液孔(631)。

6.根据权利要求1所述以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人，其特征在于：所述定位系统包括定位板(5)、辅助定位器(51)和主定位器，所述辅助定位器(51)安装于定位板(5)上，所述主定位器包括第一肢体定位器(52)和第二肢体定位器(53)，所述第一肢体定位器(52)穿设于人体模型(1)的肩部，所述第二肢体定位器(53)穿设于人体模型(1)的髋部，所述辅助定位器(51)、第一肢体定位器(52)和第二肢体定位器(53)均内置有信号发射器，所述AR显示装置内置信号接收。

7.根据权利要求1所述以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人，其特征在于：所述器脏模型底端安装第一磁铁组，所述手术腔(2)安装有与各器脏模型相对应的第二磁铁组(21)。

8.根据权利要求7所述以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人，其特征在于：所述第二磁铁组(21)上开设有限位槽(22)，所述第一磁铁组上设有与限位槽(22)相匹配的限位凸起。

9.一种手术模拟训练方法，其特征在于，所述手术模拟训练方法基于权利要求1-8任一所述的以AR为基础的高仿真腹腔手术模拟人，所述手术模拟训练方法包括以下操作步骤：

位置获取：根据定位板(5)、辅助定位器(51)和主定位器获取人体模型位置参数，进而获取手术腔的位置数据参数；

影像生成：以人体模型和定位板的位置关系、人体模型和对应的器脏模型的位置参数为基础，制作与手术腔的实际操作情况相一致的手术模拟AR影像；

器脏放置：将需要进行模拟训练的器脏模型放置在人体模型中对应的器官位置，并用水浸泡组织模拟填充层，将浸泡后的组织模拟填充层置于各器脏模型之间的间隙中；

手术模拟：佩戴AR显示装置，启动充气泵，对人体模型中的器脏模型进行仿真手术操作。通过定位系统时AR教学影像与人体模型、器脏模型重合，使AR影像与手术操作有机结合，从视觉、触觉、压力感受等方面构建高仿真的手术场景。