CN110807968A - 穿刺手术教学系统、实现方法、教学终端和教学设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于力反馈的穿刺手术教学系统、实现方法、教学终端和教学设备，教学终端中包括主控制模块和模型计算模块，信号转换装置将手术器械的姿态数据转换为三维虚拟手术器械的动画控制系数，并将动画控制系数发送给主控制模块；主控制模块根据动画控制系数同步三维虚拟手术器械的操作，并实时获取三维虚拟手术器械的姿态数据；模型计算模块根据三维虚拟手术器械的姿态数据和虚拟生物组织结构的物理属性计算力反馈数据，并将力反馈数据发送给力反馈设备；力反馈设备接收来自主控制模块的力反馈数据，并将力反馈数据对应的力反馈给操作者。同时满足手术教学系统中手术流程的训练和手术的操作感的训练的需求。

Description

穿刺手术教学系统、实现方法、教学终端和教学设备

技术领域

本发明涉及医学教育技术领域，具体涉及一种基于力反馈的穿刺手术教学系统、实现方法、教学终端和教学设备。

背景技术

穿刺术是常用的临床手术操作，也是重要的给药和治疗方法之一，在诊断、治疗和抢救危重病例中起着决定性的作用。与有着大量辅助设备的传统手术而言，如果在穿刺术中想要达到专业手术医生的水平，需要更长时间的学习和训练。而在传统的手术训练中，实习医生往往是在经验丰富的医生演示后，对人造模型、尸体或动物等生物目标进行练习。然而，人造模型真实感不够，尸体资源有限且昂贵，动物活体组织及结构与人体差异较大。尤其是对初学者来说，无法掌握手术的力度，而教师也很难将自己的经验准确的传递给学生。

针对上述问题，相关技术中的解决办法主要有以下两种：

一种是人造模型方案，该方案主要通过采用与手术需求相近的人造模型，模拟人体结构特性。该方案可以有效降低学生训练的资源门槛，提高训练资源的反复利用率。但这种方式更倾向于训练手术的操作手感，对手术流程的训练较弱，不能脱离教师的指导和监督，不符合医学教学的要求。

另一种是虚拟手术方案：虚拟手术系统可以通过构建三维虚拟手术环境、三维虚拟病人、模拟手术基本过程等方法，帮助训练医生的基本手术技能。与传统训练方式不同，虚拟手术系统能够反复多次练习而不用担心标本、场地和手术安全等问题，不仅训练代价小，同时缩短了培训周期。但该方案中，操作的交互感受比较弱，缺少触觉上的直接反馈，更适合手术流程的训练，对手术实操的感觉培养较差。

发明内容

有鉴于此，提供一种基于力反馈的穿刺手术教学系统、实现方法、教学终端和教学设备，以解决相关技术中的手术教学系统中无法同时满足手术流程的训练需求和手术操作感的训练需求的问题。

本发明采用如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供了一种基于力反馈的穿刺手术教学系统，该系统包括力反馈设备、教学终端和信号转换装置，所述教学终端中包括主控制模块和模型计算模块，其中：

所述信号转换装置用于将手术器械的姿态数据转换为三维虚拟手术器械的动画控制系数，并将所述动画控制系数发送给所述主控制模块；

所述主控制模块用于根据所述动画控制系数同步所述三维虚拟手术器械的操作，并实时获取所述三维虚拟手术器械的姿态数据；

所述模型计算模块用于根据所述三维虚拟手术器械的姿态数据和虚拟生物组织结构的物理属性计算力反馈数据，并将所述力反馈数据发送给所述力反馈设备；

所述力反馈设备用于接收来自所述主控制模块的力反馈数据，并将所述力反馈数据对应的力反馈给操作者。

第二方面，本申请实施例提供了一种基于力反馈的穿刺手术教学实现方法，应用于穿刺手术教学终端，包括：

通过信号转换装置将手术器械和力反馈设备的姿态数据转换为控制指令；

若所述控制指令为穿刺力指令，则将所述穿刺指令转换为力反馈数据，并将所述力反馈数据对应的硬件编码指令发送给力反馈设备；

接收来自所述力反馈设备对所述硬件编码指令的反馈编码数据；

若所述控制指令为力反馈姿态指令，则将所述力反馈姿态指令转换为虚拟空间坐标系下的坐标数据，以指示所述教学终端根据所述力反馈姿态指令完成与所述手术器械位置和方向的同步。

第三方面，本申请实施例提供了一种基于力反馈的穿刺手术教学实现方法，应用于穿刺手术教学设备，包括：

获取采样数据，其中，所述采样数据包括力反馈设备数据，以及，手术器械数据；

根据所述采样数据识别力反馈设备和手术器械；

根据所述力反馈设备数据计算所述力反馈设备的解算位置，所述解算位置用于指示教学终端根据当前三维虚拟病人的大小调整虚拟手术的空间大小；

控制所述力反馈设备接收来自教学终端的力反馈数据，并指示所述力反馈设备将所述力反馈数据对应的触觉反馈给操作者。

第四方面，本申请实施例提供了一种穿刺手术教学终端，包括：

处理器，以及与所述处理器相连接的存储器；

所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行权利要求7所述的基于力反馈的穿刺手术教学实现方法；

所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序。

第五方面，本申请实施例提供了一种穿刺手术教学设备，包括：

力反馈设备；

手术器械；

处理器，以及与所述处理器相连接的存储器；

所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行本申请实施例第一方面所述的基于力反馈的穿刺手术教学实现方法；

所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序。

本发明采用以上技术方案，通过力反馈设备、教学终端和信号转换装置构成基于力反馈的穿刺手术教学系统。教学终端中包括主控制模块和模型计算模块，信号转换装置将手术器械的姿态数据转换为三维虚拟手术器械的动画控制系数，并将动画控制系数发送给主控制模块；主控制模块根据动画控制系数同步三维虚拟手术器械的操作，并实时获取三维虚拟手术器械的姿态数据；模型计算模块根据三维虚拟手术器械的姿态数据和虚拟生物组织结构的物理属性计算力反馈数据，并将力反馈数据发送给力反馈设备；力反馈设备接收来自主控制模块的力反馈数据，并将力反馈数据对应的力反馈给操作者。应用到穿刺手术教学训练中，受训者不仅能够反复多次练习而不用担心标本、场地和手术安全等问题，训练成本低、培训周期短；另外，还能够提供给受训者真实的操作交互感受，贴近真实的触觉反馈，同时满足手术流程的训练需求和手术操作感的训练需求，实现了对手术实际操作的较好培养和训练。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于力反馈的穿刺手术教学系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于力反馈的穿刺手术教学实现方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的一种基于力反馈的穿刺手术教学实现方法的流程图；

图4是本发明实施例提供的一种教学终端的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种教学设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

首先对本申请实施例的应用场景进行说明，本申请实施例将手术环境、手术器械和病人以三维方式重构于软件中形成三维虚拟手术环境、三维虚拟手术器械和三维虚拟病人。通过教学设备，利用硬件驱动技术将力反馈设备和手术器械与三维虚拟技术融合，应用在穿刺手术教学过程中，使得操作者在标准的手术流程训练基础上具备了真实的操作手感，具有更好的手术训练体验。

实施例

图1为本发明实施例提供的一种基于力反馈的穿刺手术教学系统的结构示意图。参考图1，该系统包括：力反馈设备11、教学终端12和信号转换装置13，教学终端12中包括主控制模块121和模型计算模块122。

其中，信号转换装置13用于将手术器械的姿态数据转换为三维虚拟手术器械的动画控制系数，并将动画控制系数发送给主控制模块；主控制模块121用于根据动画控制系数同步三维虚拟手术器械的操作，并实时获取三维虚拟手术器械的姿态数据；模型计算模块122用于根据三维虚拟手术器械的姿态数据和虚拟生物组织结构的物理属性计算力反馈数据，并将力反馈数据发送给力反馈设备11；力反馈设备11用于接收来自主控制模块121的力反馈数据，并将力反馈数据对应的力反馈给操作者。

具体的，该系统可以分为硬件部分和软件部分，其中，硬件部分可称为穿刺手术教学设备，主要包括力反馈设备和手术器械，手术器械例如可以是注射器和穿刺针等。软件部分可称为穿刺手术教学终端，包括主控制模块和模型计算模块。需要说明的是，这里说的手术器械是真实的手术器械，但是，与力反馈设备和手术器械连接的是操作箱，操作者在教学终端的配合下，在操作箱中完成整套手术操作流程，通过力反馈设备来感受操作流程中的反馈的力等，以获得真实的操作手感，为操作者以后在真实的手术操作中提供了理论指导。

另外，由于教学设备和教学终端的数据处理原理和数据处理机制不同，因此，所需的数据的信号的类型也不同，因此，信号转换装置作为一个中间设备，可以实现数据类型的转换等。例如，主控制模块需要三维虚拟手术器械的动画控制系数，而手术器械产生的是姿态数据，因此，信号转换装置将手术器械的姿态数据转换为三维虚拟手术器械的动画控制系数并发送给主控制模块。主控制模块根据动画控制系数同步三维虚拟手术器械的操作，示例性的，三维虚拟手术器械可以是利用三维技术虚拟出来的三维虚拟穿刺针和三维虚拟注射器。更详细的，这里的同步是指主控制模块控制三维虚拟手术器械根据动画控制系数跟随手术器械的操作，这样教学终端可以通过三维虚拟手术器械的操作评判该次操作是否规范等，以便及时将操作过程中的问题进行反馈，更好的为操作者提供训练指导。

示例性的，模型可以是指穿刺力算法模型，三维虚拟手术器械以三维虚拟穿刺针为例，姿态数据可以是三维虚拟穿刺针的穿刺角度等，虚拟生物组织可以是脂肪层或者肌肉层等，物理属性可以是脂肪层或者肌肉层的厚度。另外，这里的三维虚拟手术器械的姿态数据为手术器械操作过程中真实的姿态数据发送至教学终端的。模型计算模块应用穿刺力模型，将三维虚拟手术器械的姿态数据和虚拟生物组织的物理属性作为输入参数来计算力反馈数据，并将力反馈数据发送给力反馈设备，力反馈数据对应的力可以反馈给操作者，这样，让操作者感受到当前手术过程中需要在什么阶段用什么样的力能到达比较好的效果，以便获取更完善、更准确的穿刺手术操作流程和操作感的训练。

另外，主控制模块在负责手术流程的构建和控制以外，还可以实现与其他模块之间的数据和逻辑交互，操作者通过主控制模块可以完成手术中的全部操作流程的训练。包括力反馈设备和手术器械的教学设备负责增强手术交互反馈，输出器械的操作信号并执行穿刺力反馈的表达。更具体的，力反馈设备通过接收穿刺力算法模型的力反馈数据，通过力反馈设备的机械结构，将力反馈给操作者。输出力反馈设备操作臂的空间数据，完成三维虚拟操作和真实硬件操作的空间同步，该真实硬件操作例如可以包括进针、旋转、定位、阻滞和反弹等。手术器械将手术器械的电子信号输出给信号转换模块，该电子信号例如可以是器械插拔、行程推拉或开关等操作信号。

本发明采用以上技术方案，通过力反馈设备、教学终端和信号转换装置构成基于力反馈的穿刺手术教学系统。教学终端中包括主控制模块和模型计算模块，信号转换装置将手术器械的姿态数据转换为三维虚拟手术器械的动画控制系数，并将动画控制系数发送给主控制模块；主控制模块根据动画控制系数同步三维虚拟手术器械的操作，并实时获取三维虚拟手术器械的姿态数据；模型计算模块根据三维虚拟手术器械的姿态数据和虚拟生物组织结构的物理属性计算力反馈数据，并将力反馈数据发送给力反馈设备；力反馈设备接收来自主控制模块的力反馈数据，并将力反馈数据对应的力反馈给操作者。应用到穿刺手术教学训练中，受训者不仅能够反复多次练习而不用担心标本、场地和手术安全等问题，训练成本低、培训周期短；另外，还能够提供给受训者真实的操作交互感受，贴近真实的触觉反馈，同时满足手术流程的训练需求和手术操作感的训练需求，实现了对手术实际操作的较好培养和训练。

可选的，教学终端12还包括虚拟手术环境构建模块123，虚拟手术环境构建模块123用于应用虚拟建模技术构建三维虚拟手术环境、构建三维虚拟手术器械、构建三维虚拟病人、构建三维虚拟病人的虚拟病变特征以及三维虚拟病人对虚拟手术操作的反馈特征数据。

由于本申请实施例的可应用场景是基于力反馈的穿刺手术教学系统，因此，需要构建三维虚拟手术环境、三维虚拟手术器械、三维虚拟病人以及虚拟病变特征和虚拟手术操作的反馈特征数据等。这样，就需要应用教学终端构建上述各种三维虚拟手术环境等，具体可以应用虚拟建模技术来构建。在一个具体的例子中，三维虚拟病人对虚拟手术操作的反馈特征数据可以是咳嗽、痛苦、诉求和流血等特征数据。需要说明的是，本申请实施例中虽然用到了类似病症中的相关表述，但是，均为虚拟手术环境中通过软件数据模拟出来的，而不是真实的病人产生的上述病症。

因此，应用三维建模技术构建三维虚拟手术环境来还原手术真实场景，给操作者更好的情景代入感；应用三维建模技术构建三维虚拟手术器械来还原手术中使用的所有器械，以便操作者了解器械特性和操作方法；应用三维建模技术构建虚拟病变特征以及虚拟手术操作的反馈特征数据来还原病人特征和手术中的反馈表现。

可选的，教学终端12还包括训练模块124，训练模块124用于根据预先存储的手术流程操作数据通过智能辅助模块125指示操作者操作手术器械。

其中，教学终端中可以预先存储有各个手术流程操作数据，可以包括多个不同手术的操作流程数据，例如，硬脑膜下腔穿刺、脑室穿刺、脑血管穿刺或腹腔穿刺等手术的操作流程数据。不同的手术操作流程不同，这里预先将不同手术的操作流程数据进行存储，然后在具体穿刺手术教学系统中，将当前穿刺手术对应的手术流程操作数据通过智能辅助模块指示操作者操作手术器械。例如，当前手术为硬脑膜下腔穿刺，则操作者可以根据智能辅助模块的提示在操作箱中操作手术器械，例如操作穿刺针或者注射器等。

可选的，智能辅助模块125还用于在操作者操作错误时进行告警提示，以及，在操作者操作完成时进行操作结果提示。

具体的，操作者的操作数据会及时同步到教学终端，而主控制模块或者智能辅助模块可以分析当前操作者的操作是否符合手术流程操作数据中指示的操作规范，如果不符合，则对操作者进行告警提示。另外，还可以在操作者操作完成时进行操作结果提示。示例性的，告警提示或操作结果提示均可为语音提示，这样更符合穿刺手术教学的应用场景。另外，智能辅助模块还可以负责操作步骤引导等。

可选的，教学终端12还包括分析模块126，分析模块126用于统计操作者的训练时长数据、错误点数据和错误原因数据。

具体的，教学终端中还可以包括实时操作评价模块，用于对每步的操作细节做结果评价，并将评价内容输出给分析模块和智能辅助模块，这样分析模块就可以统计操作者的训练时长数据、错误点数据和错误原因数据，这些数据还可以通过数据报表的形式呈现，用于训练后的总结、查看、统计和分析，以便对下次的虚拟手术操作进行改进。需要说明的是，这里的对每步的操作细节做结果评价可以是教学终端将实时获取到的操作数据与预先存储的手术流程操作数据进行对比来确定。

可选的，信号转换装置13用于将力反馈设备的电子信号转换为三维虚拟手术环境中的空间坐标；用于将手术器械的使用信号转换为虚拟器械的动画控制系数。

另外，三维虚拟手术环境中需要的是力反馈设备的可操作范围，比如，力反馈设备的操作臂的空间数据，而力反馈设备产生的是电子信号，因此，应用信号转换装置用于将力反馈设备的电子信号转换为三维虚拟手术环境中需要的空间坐标。示例性的，还可以将穿刺针等手术器械的使用信号转换为对应的虚拟器械的动画控制系数，这里的使用信号可以包括手术器械的姿态数据等。

图2为本发明实施例提供的一种基于力反馈的穿刺手术教学实现方法的流程图，该方法可以由本发明实施例提供的穿刺手术教学终端来执行，该穿刺手术教学终端可采用软件和/或硬件的方式实现。参考图2，该方法具体可以包括如下步骤：

S201、通过信号转换装置将手术器械和力反馈设备的姿态数据转换为控制指令。

具体的，穿刺手术教学终端可以是集成本申请实施例中基于力反馈的穿刺手术教学实现方法的终端。具体的，教学终端通过信号转换装置将手术器械和力反馈设备的姿态数据转换为控制指令，这里的手术器械可以是穿刺针或者注射器等，姿态数据可以是穿刺针的长度以及穿刺过程中的穿刺深度等数据。这里的力反馈设备的姿态数据可以是力反馈设备的操作臂的位置和操作空间等。信号转换装置将手术器械和力反馈设备的姿态数据转换为控制指令，以便被教学终端识别。

在实际的应用过程中，教学终端可以以轮询的方式定时获取手术器械的姿态数据，这个过程可以通过中间设备来实现；中间设备在获取到姿态请求之后，首先判断教学设备是否处于连接状态，如果不是，则中间设备通过硬件驱动来驱动教学设备进行连接。这样终端设备可以及时获取到手术器械的姿态数据。

S202、若控制指令为穿刺力指令，则将穿刺指令转换为力反馈数据，并将力反馈数据对应的硬件编码指令发送给力反馈设备。

具体的，如果上述控制指令为穿刺力指令，则通过穿刺力算法模型将穿刺力指令转换为力反馈数据，然后将力反馈数据对应的硬件编码指令发送给力反馈设备，以便指示力反馈设备将力反馈数据对应的力反馈给操作者，以便使操作者更好的感受反馈的力，增强手术训练过程的操作感。

S203、接收来自力反馈设备对硬件编码指令的反馈编码数据。

具体的，教学终端接收来自力反馈设备对硬件编码指令的反馈编码数据，该过程可以是指，力反馈设备根据硬件编码指令调节的过程是缓慢进行的，因此，在从当前的反馈的力到调节至硬件编码指令对应的力的过程中，力反馈设备实时将对硬件编码指令的反馈编码数据发送至教学终端，教学终端实时接收来自力反馈设备对硬件编码指令的反馈编码数据，以便实时了解力反馈设备反馈给操作者的力的状态并及时做出调整。

S204、若控制指令为力反馈姿态指令，则将力反馈姿态指令转换为虚拟空间坐标系下的坐标数据，以指示教学终端根据力反馈姿态指令完成与手术器械位置和方向的同步。

其中，力反馈姿态指令是指，力反馈设备的各个操作臂的姿态数据，比如，某个操作臂的当前空间位置以及可活动的空间范围等。具体的，如果上述控制指令为力反馈姿态指令，则将力反馈姿态指令转换为虚拟空间坐标系的坐标数据，比如操作臂的空间位置对应在虚拟空间坐标系的横轴、竖轴和纵轴的位置。这样，教学终端可以根据力反馈姿态指令完成与手术器械的位置和方向的同步。

为了使上述技术方案的表述更清晰，将教学终端中的整个操作流程进行简单说明。教学终端中的手术训练流程可以发起和处理大部分流程逻辑，将病人在手术中的肌理变化通知给三维虚拟病人，由三维虚拟病人完成对应的病例表现，例如咳嗽、痛苦、诉求和流血等。需要说明的是，上述手术中的肌理变化为历史手术中收集到的相关数据，三维虚拟病人完成的病例表现也是应用三维虚拟技术完成的。另外，智能辅助模块在接收到手术操作细节的相关数据后，分析这些数据以确定操作是否合乎规范，并进行对应的语音或者文字提示，给操作者实时的视觉和听觉反馈；手术训练流程中，虚拟手术环境构建模块可以根据手术操作中的镜头移动需求和手术仪器表现需求完成镜头的移动切换和仪器的运作处理。

本申请实施例中，通过信号转换装置将手术器械和力反馈设备的姿态数据转换为控制指令；若控制指令为穿刺力指令，则将穿刺指令转换为力反馈数据，并将力反馈数据对应的硬件编码指令发送给力反馈设备；接收来自力反馈设备对硬件编码指令的反馈编码数据；若控制指令为力反馈姿态指令，则将力反馈姿态指令转换为虚拟空间坐标系下的坐标数据，以指示教学终端根据力反馈姿态指令完成与手术器械位置和方向的同步。该过程主要描述了教学终端如何根据手术器械和力反馈设备的姿态数据来实现与手术器械位置和方向同步的过程。

图3为本发明实施例提供的一种基于力反馈的穿刺手术教学实现方法的流程图，该方法可以由本发明实施例提供的穿刺手术教学设备来执行，该穿刺手术教学设备可采用软件和/或硬件的方式实现。参考图3，该方法具体可以包括如下步骤：

S301、获取采样数据，其中，采样数据包括力反馈设备数据，以及，手术器械数据。

具体的，操作者将手术器械连接至操作箱，操作箱中设有硬件信号检测模块，该硬件信息检测模块为教学设备的一部分。硬件信号检测模块获取采样数据后，该采样数据包括力反馈设备数据和手术器械数据，该采样过程可以是AD(Analogue-to-Digital，模数)采样，然后将采样数据发送至教学设备的处理器，处理器获取到该采样数据。在一个具体的例子中，如果采样数据是力反馈数据，则采样数据可以是指力反馈设备电机的开启和关闭等运行状态的检测数据和驱动数据；如果采样数据为手术器械数据，则采样数据可以是指比如注射器插到了操作箱的哪个插口、插的是几毫米的注射器、穿刺针是胸穿刺针还是骨穿刺针等。

S302、根据采样数据识别力反馈设备和手术器械。

具体的，根据采样数据来识别力反馈设备和手术器械是否处于安装好且待使用的状态，若是，则可以开始某个穿刺手术的教学训练过程，否则，持续对力反馈设备和手术器械进行采样，直至力反馈设备和手术器械能被识别到为止。

S303、根据力反馈设备数据计算力反馈设备的解算位置，解算位置用于指示教学终端根据当前三维虚拟病人的大小调整虚拟手术的空间大小。

具体的，力反馈设备的解算位置为力反馈设备的工作空间，例如，力反馈设备有三个操作臂，通过每个操作臂的杠杆的机械作用产生作用力来形成工作空间。示例性的，教学终端中，还可以通过软件算法对解算位置进行放大或者缩小，这样在虚拟病人发生变化时，比如从一个人变为一只兔子，无需更换力反馈设备，在原有力反馈设备的基础上就可以实现基于力反馈的穿刺手术教学。

S304、控制力反馈设备接收来自教学终端的力反馈数据，并指示力反馈设备将力反馈数据对应的触觉反馈给操作者。

具体的，力反馈设备接收来自教学终端的力反馈数据，然后将力反馈数据对应的触觉反馈给操作者，该触觉可以用空间阻力的方式呈现。比如，操作者在操作穿刺针在操作箱中穿刺的过程中，感受该空间阻力。这样，在当前的穿刺手术教学中，操作者可以通过力反馈设备来感受空间阻力提高手术过程中的操作感，来指导以后真实的手术操作过程。

本申请实施例中，获取采样数据；根据采样数据识别力反馈设备和手术器械，这样可以在力反馈设备和手术器械处于连接好的状态下开始手术穿刺教学，避免了无用操作，提高了训练效率；根据力反馈设备数据计算力反馈设备的解算位置，解算位置用于指示教学终端根据当前三维虚拟病人的大小调整虚拟手术的空间大小；控制力反馈设备接收来自教学终端的力反馈数据，并指示力反馈设备将力反馈数据对应的触觉反馈给操作者。给受训练者或操作者真实的体验。

本发明实施例还提供一种穿刺手术教学终端，请参阅图4，图4为一种穿刺手术教学终端的结构示意图，如图4所示，该穿刺手术教学终端包括：处理器410，以及与处理器410相连接的存储器420；存储器420用于存储计算机程序，计算机程序至少用于执行本发明实施例中的基于力反馈的穿刺手术教学实现方法；处理器410用于调用并执行存储器中的计算机程序；上述基于力反馈的穿刺手术教学实现方法至少包括如下步骤：通过信号转换装置将手术器械和力反馈设备的姿态数据转换为控制指令；若控制指令为穿刺力指令，则将穿刺指令转换为力反馈数据，并将力反馈数据对应的硬件编码指令发送给力反馈设备；接收来自力反馈设备对硬件编码指令的反馈编码数据；若控制指令为力反馈姿态指令，则将力反馈姿态指令转换为虚拟空间坐标系下的坐标数据，以指示教学终端根据力反馈姿态指令完成与手术器械位置和方向的同步。

本发明实施例还提供一种穿刺手术教学设备，请参阅图5，图5为一种穿刺手术教学设备的结构示意图，如图5所示，该穿刺手术教学设备包括：处理器510，以及与处理器510相连接的存储器520、力反馈设备11和手术器械530；存储器520用于存储计算机程序，计算机程序至少用于执行本发明实施例中的基于力反馈的穿刺手术教学实现方法；处理器510用于调用并执行存储器中的计算机程序；上述基于力反馈的穿刺手术教学实现方法至少包括如下步骤：获取采样数据，其中，采样数据包括力反馈设备数据，以及，手术器械数据；根据采样数据识别力反馈设备和手术器械；根据力反馈设备数据计算力反馈设备的解算位置，解算位置用于指示教学终端根据当前三维虚拟病人的大小调整虚拟手术的空间大小；控制力反馈设备接收来自教学终端的力反馈数据，并指示力反馈设备将力反馈数据对应的触觉反馈给操作者。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于力反馈的穿刺手术教学系统，其特征在于，包括力反馈设备、教学终端和信号转换装置，所述教学终端中包括主控制模块和模型计算模块，其中：

所述信号转换装置用于将手术器械的姿态数据转换为三维虚拟手术器械的动画控制系数，并将所述动画控制系数发送给所述主控制模块；

所述主控制模块用于根据所述动画控制系数同步所述三维虚拟手术器械的操作，并实时获取所述三维虚拟手术器械的姿态数据；

所述模型计算模块用于根据所述三维虚拟手术器械的姿态数据和虚拟生物组织结构的物理属性计算力反馈数据，并将所述力反馈数据发送给所述力反馈设备；

所述力反馈设备用于接收来自所述主控制模块的力反馈数据，并将所述力反馈数据对应的力反馈给操作者。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述教学终端还包括虚拟手术环境构建模块，所述虚拟手术环境构建模块用于应用虚拟建模技术构建三维虚拟手术环境、构建三维虚拟手术器械、构建三维虚拟病人、模拟所述三维虚拟病人的虚拟病变特征以及所述三维虚拟病人对虚拟手术操作的反馈特征数据。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述教学终端还包括训练模块，所述训练模块用于根据预先存储的手术流程操作数据通过智能辅助模块指示操作者操作手术器械。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述智能辅助模块还用于在所述操作者操作错误时进行告警提示，以及，在所述操作者操作完成时进行操作结果提示。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述教学终端还包括分析模块，所述分析模块用于统计所述操作者的训练时长数据、错误点数据和错误原因数据。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号转换装置用于将所述力反馈设备的电子信号转换为三维虚拟手术环境中的空间坐标；用于将手术器械的使用信号转换为虚拟器械的动画控制系数。

7.一种基于力反馈的穿刺手术教学实现方法，应用于穿刺手术教学终端，其特征在于，包括：

通过信号转换装置将手术器械和力反馈设备的姿态数据转换为控制指令；

若所述控制指令为穿刺力指令，则将所述穿刺指令转换为力反馈数据，并将所述力反馈数据对应的硬件编码指令发送给力反馈设备；

接收来自所述力反馈设备对所述硬件编码指令的反馈编码数据；

若所述控制指令为力反馈姿态指令，则将所述力反馈姿态指令转换为虚拟空间坐标系下的坐标数据，以指示所述教学终端根据所述力反馈姿态指令完成与所述手术器械位置和方向的同步。

8.一种基于力反馈的穿刺手术教学实现方法，应用于穿刺手术教学设备，其特征在于，包括：

获取采样数据，其中，所述采样数据包括力反馈设备数据，以及，手术器械数据；

根据所述采样数据识别力反馈设备和手术器械；

根据所述力反馈设备数据计算所述力反馈设备的解算位置，所述解算位置用于指示教学终端根据当前三维虚拟病人的大小调整虚拟手术的空间大小；

控制所述力反馈设备接收来自教学终端的力反馈数据，并指示所述力反馈设备将所述力反馈数据对应的触觉反馈给操作者。

9.一种穿刺手术教学终端，其特征在于，包括：

处理器，以及与所述处理器相连接的存储器；

所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行权利要求7所述的基于力反馈的穿刺手术教学实现方法；

所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序。

10.一种穿刺手术教学设备，其特征在于，包括：

力反馈设备；

手术器械；

处理器，以及与所述处理器相连接的存储器；

所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序至少用于执行权利要求8所述的基于力反馈的穿刺手术教学实现方法；

所述处理器用于调用并执行所述存储器中的所述计算机程序。

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