CN111489608A - 一种全景vr交互式医学超声数字体模系统教学方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种全景VR交互式医学超声数字体模系统，该系统拥有两个模块，包括数字建模模块和实际操作生成VR图像模块；基于系统的组成，硬件部分分为专业基地服务器和个人客户端服务器；上述两种服务器均含有手持设备、图像数字化处理设备、可穿戴全景VR设备。随着5G技术的普及和发展，该系统通过服务器连接网络，实现大数据云计算，极大地提高了VR交互式的计算速度和传输效率。
Description
技术领域
本发明描述了一种全景VR交互式医学超声数字体模系统教学方法，随着5G技术的成熟实现云计算，包括数字建模模块和实际操作生成VR图像模块，通过专业本地服务器和个人客户端，实现医学领域全景VR交互。
背景技术
目前医学超声学习主要是以教材及相关辅导书为基础的理论学习为主，由于医疗资源有限，超声学员上机时间远远不能达到实践的目的；各个医院侧重不同，病例种类有限，并且典型病例也是可遇不可求的；加上日益紧张的医患关系，大多数患者是抗拒普通学员为其进行检查的。
在国内外超声模拟教学中，主要还是应用仿组织超声体模进行。首先，该体模制作工艺复杂，成本高，价位很高，进口超声体模费用更高，少则几十万，多则上百万，大多数医院及个人买不起，很难量产；其次，这种体模模拟的图像质量一般，大多数无法实现功能成像，例如心脏检查等；第三，这种仿组织体模内部结构是固化的，只能模拟正常组织或者单一病种，后期不能导入病例数据，并且无法实现人机互动，不能应用于模拟考试及考核，综上，全景VR交互式医学超声数字体模系统的实施创造，可有效提高学员学习效率，降低教学成本。
发明内容
一种全景VR交互式医学超声数字体模系统教学方法,
步骤一：原始图像采集过程，在软件中制作出虚拟人体模型，并在各个脏器体表标记出各个标准切面的位点，同时生成包含二维图像数据和角度数据的数据库；
步骤二：将步骤一得到的二维图像数据和角度数据传输通信模块，生成无线数据，发射给本地服务器并传输到云服务器；
步骤三：于步骤二中本地服务器接收到到的数据进行后续的软件处理，并将数据存储到本地服务器及云服务器；
步骤四：通过系统软件，根据需要调出相应部位的相应切面数据库，进行实际操作的模拟演示，最终将得到的实时操作数据及图像生成数据通过数据传输，均备份到本地服务器及云服务器。
优选的：步骤一的具体实现方法是：
步骤a：数字建模，在软件中制作出虚拟人体模型，并在各个脏器体表标记出各个标准切面的位点，生成数据库；
步骤b，采用与数据库相对应的检查切面采集数据：手持设备的超声波换能器产生超声波探测人体组织，反射回来的超声波经过换能器生成电能，经过集成电路上的多核微处理器转换成二维图像数据；与此同时手持设备的10轴加速度陀螺仪随位置改变生成精确的角度数据，以陀螺仪本身作为坐标原点。
优选的：步骤二的具体实现方法是：
将权利要求1中的经步骤一所得到的二维图像数据和角度数据，二者同时经微处理器传输给蓝牙5.0/5G通信模块，在通信模块生成无线数据，发射传输给本地服务器及云服务器。
优选的：步骤三的具体实现方法是：
本地服务器接受到数据，软件后续处理流程如下：
(1)校正手持设备中换能器与陀螺仪相对位置造成的坐标原点误差；
(2)将二维图像数据与同一时间点生成的角度数据，合成带有坐标编码的图像数据，图像上的每一个像素都对应虚拟立体空间上的一个坐标点；
(3)将带有坐标点阵列的二维图像，分解成各个小的带有三维坐标编码的像素，并独立存储为原始数据，不同脏器、不同切面转换时，软件自动校对陀螺仪角度归零；
(4)经过上述实际操作调取数据库、生成VR图像所得到的数据存储到本地服务器并上传至云服务器，实现资源共享。
优选的：步骤四的具体实现方法是：
通过软件调出虚拟人物，当手持设备到达VR虚拟人体的相应脏器的相应的切面时，软件自动识别，调出相应部位的相应切面数据库；手持设备10轴MEMS加速度陀螺仪随位置改变生成数据，传输给蓝牙5.0/5G通信模块，生成无线数据，发射给本地服务器/个人客户端，本地服务器通过三维坐标数据，找到相应的带有三维坐标编码的像素，按照相应位置进行排列，生成由成百上千个小的图像单元的构成的可视化图片，进而生成帧频为12fps，即每秒有12幅图出现的视频，可以与目前超声仪器常规存储的视频相匹配，然后传输给可穿戴全景VR设备及屏幕，最终将得到的实时操作数据及图像生成数据通过数据传输，均备份到本地服务器及云服务器。
一种全景VR交互式医学超声数字体模系统，包括本地手持数据采集设备、本地服务器、VR设备、云存储中心、云计算中心、个人客户端和个人手持数据采集设备，所述本地手持数据采集设备和人手持数据采集设备分别与本地服务器和个人客户端建立连接，本地手持数据采集设备和个人手持数据采集设备进行原始图像采集，本地手持数据采集设备将采集信息传输至本地服务器，个人手持数据采集设备将采集信息传输至个人客户端，本地服务器和个人客户端将原始图像采集信息传输至云计算中心进行计算分析处理，并将处理数据上传至云存储中心进行存储，本地服务器和个人客户端上分别电性连接有VR设备，云计算中心将云计算中心分析处理的数据分别通过本地服务器和个人客户端传输给VR设备生成VR显示。
优选的：所述本地手持数据采集设备和个人手持数据采集设备均包括超声波换能器、10轴MEMS加速度陀螺仪、蓝牙5.0/5G通信模块、微处理器和电源模块，所述超声波换能器、10轴MEMS加速度陀螺仪和蓝牙5.0/5G通信模块分别与微处理器电性连接，电源模块用于给微处理器供电；所述超声波换能器产生超声波探测人体组织，反射回来的超声波经过换能器生成电能传输至微处理器；
优选的：所述的10轴MEMS加速度陀螺仪，提供高精度的被探测人体组织位置变换信息，包括经度、纬度、高度的定位数据，采集原始数据时可以对原始数据加密，保证其可追溯性，同时实际操作时也可以生成带有定位数据的图像，将生成位置数据的图像传输至微处理器,从而用来追溯操作者；
所述微处理器将超声波换能器产生的电能转化为数据，与10轴MEMS加速度陀螺仪的数据一起传输给蓝牙5.0/5G通信模块，通过该模块将数据无线传输给本地服务器和个人客户端进行图像数字化处理。
优选的：所述VR设备包括全景VR设备和虚拟触控手套；
全景VR设备包括眼镜式VR设备和头盔式VR设备；
头盔式VR设备内部安装听筒和语音模块，语音模块和听筒交互使用。
优选的：所述个人客户端为手机，所述本地服务器为计算机。
优选的：所述个人客户端上集成定位模块，能够实时定位。
本发明具有以下有益效果：
目前现有的电子元件已经基本可以满足这套系统的理论要求，如10轴MEMS加速度陀螺仪的精度极高(内含加速度3维，角速度3维，角度3维，磁场3维，气压1维，GPS,量程：加速度为±16g，角速度为±2000°/s，角度为±180°，分辨率：加速度为6.1e-5g，角速度7.6e-3°/s，稳定性：加速度为0.01g，角速度为0.05°/s，测量误差：0.01度)，目前5G通信峰值速率高达1Gbps，已经开始商用，数据传输壁垒已打破，目前计算机计算速度完全可以满足图像处理要求。
本项发明选择云存储或者云计算的意义在于：去中心化，每一台本地服务器既可以独立运算，又可以实现联网运算，即使本地服务器发生故障，也不会导致数据丢失。
本发明所提供的这套系统成本低，操作简便，易于推广，便于普及，学习过程实时互动，并且可以应用大数据、云计算，各个本地都可以上传和下载病例，每个服务器和客户端都可以资源共享，使病例涵盖更广泛，让学员掌握更多的知识，还可以促进多学科交流。
附图说明
图1全景VR交互式医学超声数字体模系统示意图；
图2本地版本手持设备示意图；
图3个人客户端版本手持设备示意图；
图4原始大数据采集流程示意图；
图5带有角度坐标数据的图像合成过程示意图；
图6实际操作实时成像流程示意图。
图7本地服务器及个人客户端所持设备与云端链接结构图
具体实施方式
具体实施方式一，结合说明书附图1-7说明本实施方式，本实施方式的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统步骤如下：
步骤一：原始图像采集过程，在软件中制作出虚拟人体模型，并在各个脏器体表标记出各个标准切面的位点，同时生成包含二维图像数据和角度数据的数据库；
步骤二：将步骤一得到的二维图像数据和角度数据传输通信模块，生成无线数据，发射给本地服务器及云服务器；
步骤三：于步骤二中本地服务器接收到到的数据进行后续的软件处理，并将数据存储到本地服务器及云服务器；
步骤四：通过系统软件，根据需要调出相应部位的相应切面数据库，进行实际操作的模拟演示，最终将得到的实时操作数据及图像生成数据通过数据传输，均备份到本地服务器及云服务器。
具体实施方式二，结合说明书附图1-7说明本实施方式，本实施方式的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统：
步骤一的具体实现方法是：
步骤a：数字建模，在软件中制作出虚拟人体模型，并在各个脏器体表标记出各个标准切面的位点，生成数据库；
步骤b，采用与数据库相对应的检查切面采集数据：手持设备的超声波换能器产生超声波探测人体组织，反射回来的超声波经过换能器生成电能，经过集成电路上的多核微处理器转换成二维图像数据；与此同时手持设备的10轴加速度陀螺仪随位置改变生成精确的角度数据，以陀螺仪本身作为坐标原点。
具体实施方式三，结合说明书附图1-7说明本实施方式，本实施方式的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统：
步骤二的具体实现方法是：
将权利要求1中的经步骤一所得到的二维图像数据和角度数据，二者同时经微处理器传输给蓝牙5.0/5G通信模块，在通信模块生成无线数据，发射传输给本地服务器及云服务器。
具体实施方式四，结合说明书附图1-7说明本实施方式，本实施方式的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统：
步骤三的具体实现方法是：
本地服务器接受到数据，软件后续处理流程如下：
(1)校正手持设备中换能器与陀螺仪相对位置造成的坐标原点误差；
(2)将二维图像数据与同一时间点生成的角度数据，合成带有坐标编码的图像数据，图像上的每一个像素都对应虚拟立体空间上的一个坐标点；
(3)将带有坐标点阵列的二维图像，分解成各个小的带有三维坐标编码的像素，并独立存储为原始数据，不同脏器、不同切面转换时，软件自动校对陀螺仪角度归零；
(4)经过上述实际操作调取数据库、生成VR图像所得到的数据存储到本地服务器。
具体实施方式五，结合说明书附图1-7说明本实施方式，本实施方式的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统：
步骤四的具体实现方法是：
通过软件调出虚拟人物，当手持设备到达VR虚拟人体的相应脏器的相应的切面时，软件自动识别，调出相应部位的相应切面数据库；手持设备10轴MEMS加速度陀螺仪随位置改变生成数据，传输给蓝牙5.0/5G通信模块，生成无线数据，发射给本地服务器/个人客户端，本地服务器通过三维坐标数据，找到相应的带有三维坐标编码的像素，按照相应位置进行排列，生成由成百上千个小的图像单元的构成的可视化图片，进而生成帧频为12fps，即每秒有12幅图出现的视频，可以与目前超声仪器常规存储的视频相匹配，然后传输给可穿戴全景VR设备及屏幕，最终将得到的实时操作数据及图像生成数据通过数据传输，均备份到本地服务器及云服务器。
具体实施方式六，结合说明书附图1-7说明本实施方式，本实施方式的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统，包括本地手持数据采集设备、本地服务器、VR设备、云存储中心、云计算中心、个人客户端和个人手持数据采集设备，所述本地手持数据采集设备和人手持数据采集设备分别与本地服务器和个人客户端建立连接，本地手持数据采集设备和个人手持数据采集设备进行原始图像采集，本地手持数据采集设备将采集信息传输至本地服务器，个人手持数据采集设备将采集信息传输至个人客户端，本地服务器和个人客户端将原始图像采集信息传输至云计算中心进行计算分析处理，并将处理数据上传至云存储中心进行存储，本地服务器和个人客户端上分别电性连接有VR设备，云计算中心将云计算中心分析处理的数据分别通过本地服务器和个人客户端传输给VR设备生成VR显示。
具体实施方式七，结合说明书附图1-7说明本实施方式，本实施方式的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统包括本地手持设备和个人客户端手持设备：
1)本地手持设备(图2)即带有定位功能的掌上超声仪，设备内包括换能器、蓝牙5.0/5G模块、10轴MEMS加速度陀螺仪、高度集成电路板(内含多核微处理器)，电源、开关。其工作原理是：A.采集原始数据阶段：换能器可以将电能转化为超声波，同时可以将接收超声波转化为电能；陀螺仪随探头位置变化产生数据(包括时间、加速度、角度、角速度、经纬度、磁场、气压、高度等)；微处理器可以将换能器产生的电能转化为数据，与陀螺仪的数据一起传输给蓝牙5.0/5G通信模块，通过该模块将数据无线传输给图像数字化处理设备。这种手持设备和传统的超声探头有本质上的不同，首先，它相当于没有显示器的传统超声诊断仪，传统超声探头是有线的，内部仅包含换能器，超声波转化的电能传输到主机上进行运算，生成数据，而这种手持设备是无线连接的，直接在设备本身完成电能转化为数据的过程，其次，该设备内增加了10轴MEMS加速度陀螺仪，传统超声探头是不具备的，这种陀螺仪可以提供高精度的位置变换信息，并生成三维空间位置的数据，与图像相匹配，并且能通过GPS提供定位，生成带有地址的独一无二的数据，应用区块链技术进行存储，无法被篡改，并且可以溯源，既能实现对病例上传者的知识产权保护，又便于监督学员学习，减少考试作弊的可能。B.模拟练习或考试阶段：换能器不工作，只需要陀螺仪工作，这样可以减少换能器的消耗，延长手持设备的使用寿命；
2)个人客户端手持设备(图3)：虚拟掌上超声设备，设备内包括蓝牙5.0/5G模块、10轴加速度陀螺仪、高度集成电路板(内含多核微处理器)，电源、开关，核心部件是10轴加速度陀螺仪，陀螺仪随探头位置变化产生数据(包括时间、加速度、角度、角速度、经纬度、磁场、气压、高度等)；微处理器可以将陀螺仪的数据传输给蓝牙5.0/5G模块，通过该模块将数据无线传输给手机。因为具有定位功能，可以用于学生考勤。
所述10轴MEMS加速度陀螺仪提供高精度的被探测人体组织位置变换信息，并生成三维空间位置的数据传输至微处理器；
所述微处理器将超声波换能器产生的电能转化为数据，与10轴MEMS加速度陀螺仪的数据一起传输给蓝牙5.0/5G通信模块，通过该模块将数据无线传输给本地服务器和个人客户端进行图像数字化处理设备：
a)本地服务器图像数字化处理设备：该设备主要基于电脑后处理软件完成，和传统超声仪主机也有很大不同，高配置电子计算机即可胜任，主要是安装图像处理软件和连接云储存功能，实现大数据交换。工作原理：A.原始数据采集阶段：图像处理软件功能包括把图像数据与三维空间位置数据相匹配，生成新的数据，对于基础数据(正常解剖图像数据、学员个人档案数据)存储于本地，并上传至云存储空间，而病例数据及考试数据，直接上传至云储存空间，减少对本地存储空间不必要的占有，这样既不会使本地服务器因数据量太大而影响运行速度，也减少了因本地服务器故障而导致数据丢失的可能。B.模拟练习或考试阶段：本地服务器软件系统内具有VR数字体模，学员可在数字体模上完成操作，服务器收集手持设备传来的位置数据(切面数据)，经过后处理比对，将随位置变化而产生图像数据传输给VR软件，VR软件生成图像，传输给VR设备，当VR设备不可用时或者对于不能耐受VR设备的人员，可以把数据传输给本地显示器，同样可以进行学习和考试。学习与考试所产生的图像与视频自动存储，便于后期反馈。
b)个人客户端图像数字化处理设备：即手机，主要是APP(手机软件)，具有交互VR功能，同时可以直接在手机屏幕上显示，这个软件功能与本地服务器软件算法与功能一致，同时具有交互功能，手机-手持设备交互，学员-专家交互，以及疑难病例的专家会诊，提高学员的整体知识架构与实践能力。
具体实施方式八，结合说明书附图1-7说明本实施方式，本实施方式的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统，所述可穿戴全景VR设备包括：全景VR设备和虚拟触控手套，眼镜式VR设备和头盔式VR设备；头盔式VR设备内部安装听筒和语音模块，语音模块和听筒交互使用。
具体使用时可分为VR头显和VR辅助工具：VR头显与本地版本可穿戴全景VR设备相同，而VR辅助设备为VR手机盒子+无线手柄(基于蓝牙或者红外)，前者交互性能更加真实，沉浸效果更好，后者价格低廉，普通学员能够负担的起，同时手机屏幕也可平面展示。
具体实施方式九，结合说明书附图1-7说明本实施方式，本实施方式的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统，所述个人客户端为手机，所述本地服务器为计算机。
具体实施方式十，结合说明书附图1-7说明本实施方式，本实施方式的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统，所述个人客户端上集成定位模块，能够实时定位。
Claims (10)
1.一种全景VR交互式医学超声数字体模系统教学方法,其特征在于：
步骤一：原始图像采集过程，在软件中制作出虚拟人体模型，并在各个脏器体表标记出各个标准切面的位点，同时生成包含二维图像数据和角度数据的数据库；
步骤二：将步骤一得到的二维图像数据和角度数据传输通信模块，生成无线数据，发射给本地服务器及云服务器；
步骤三：于步骤二中本地服务器接收到的数据进行后续的软件处理，并将数据存储到本地服务器并传输到云服务器；
步骤四：通过系统软件，根据需要调出相应部位的相应切面数据库，进行实际操作的模拟演示，最终将得到的实时操作数据及图像生成数据通过数据传输，均备份到本地服务器及云服务器。
2.根据权利要求1所述的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统教学方法，其特征在于：步骤一的具体实现方法是：
步骤a：数字建模，在软件中制作出虚拟人体模型，并在各个脏器体表标记出各个标准切面的位点，生成数据库；
步骤b，采用与数据库相对应的检查切面采集数据：手持设备的超声波换能器产生超声波探测人体组织，反射回来的超声波经过换能器生成电能，经过集成电路上的多核微处理器转换成二维图像数据；与此同时手持设备的10轴加速度陀螺仪随位置改变生成精确的角度数据，以陀螺仪本身作为坐标原点。
3.根据权利要求1所述的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统教学方法，其特征在于：步骤二的具体实现方法是：
将权利要求1中的经步骤一所得到的二维图像数据和角度数据，二者同时经微处理器传输给蓝牙5.0/5G通信模块，在通信模块生成无线数据，发射传输给本地服务器。
4.根据权利要求1所述的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统教学方法，其特征在于：步骤三的具体实现方法是：
本地服务器接受到数据，软件后续处理流程如下：
(1)校正手持设备中换能器与陀螺仪相对位置造成的坐标原点误差；
(2)将二维图像数据与同一时间点生成的角度数据，合成带有坐标编码的图像数据，图像上的每一个像素都对应虚拟立体空间上的一个坐标点；
(3)将带有坐标点阵列的二维图像，分解成各个小的带有三维坐标编码的像素，并独立存储为原始数据，不同脏器、不同切面转换时，软件自动校对陀螺仪角度归零；
(4)经过上述实际操作调取数据库、生成VR图像所得到的数据存储到本地服务器并上传至云服务器，实现资源共享。
5.根据权利要求1所述的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统教学方法，其特征在于：步骤四的具体实现方法是：
通过软件调出虚拟人物，当手持设备到达VR虚拟人体的相应脏器的相应的切面时，软件自动识别，调出相应部位的相应切面数据库；手持设备10轴MEMS加速度陀螺仪随位置改变生成数据，传输给蓝牙5.0/5G通信模块，生成无线数据，发射给本地服务器/个人客户端，本地服务器通过三维坐标数据，找到相应的带有三维坐标编码的像素，按照相应位置进行排列，生成由成百上千个小的图像单元的构成的可视化图片，进而生成帧频为12fps，即每秒有12幅图出现的视频，可以与目前超声仪器常规存储的视频相匹配，然后传输给可穿戴全景VR设备及屏幕，最终将得到的实时操作数据及图像生成数据通过数据传输，均备份到本地服务器及云服务器。
6.一种全景VR交互式医学超声数字体模系统，其特征在于：包括基地手持数据采集设备、本地服务器、VR设备、云存储中心、云计算中心、个人客户端和个人手持数据采集设备，所述基地手持数据采集设备和人手持数据采集设备分别与本地服务器和个人客户端建立连接，基地手持数据采集设备和个人手持数据采集设备进行原始图像采集，基地手持数据采集设备将采集信息传输至本地服务器，个人手持数据采集设备将采集信息传输至个人客户端，本地服务器和个人客户端将原始图像采集信息传输至云计算中心进行计算分析处理，并将处理数据上传至云存储中心进行存储，本地服务器和个人客户端上分别电性连接有VR设备，云计算中心将云计算中心分析处理的数据分别通过本地服务器和个人客户端传输给VR设备生成VR显示。
7.根据权利要求6所述的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统，其特征在于：所述基地手持数据采集设备和个人手持数据采集设备均包括超声波换能器、10轴MEMS加速度陀螺仪、蓝牙5.0/5G通信模块、微处理器和电源模块，所述超声波换能器、10轴MEMS加速度陀螺仪和蓝牙5.0/5G通信模块分别与微处理器电性连接，电源模块用于给微处理器供电；所述超声波换能器产生超声波探测人体组织，反射回来的超声波经过换能器生成电能传输至微处理器；
所述的10轴MEMS加速度陀螺仪，提供高精度的被探测人体组织位置变换信息，包括经度、纬度、高度的定位数据，采集原始数据时可以对原始数据加密，保证其可追溯性，同时实际操作时也可以生成带有定位数据的图像，将生成位置数据的图像传输至微处理器,从而用来追溯操作者；
所述微处理器将超声波换能器，将产生的电能转化为数据，与10轴MEMS加速度陀螺仪的数据一起传输给蓝牙5.0/5G通信模块，通过该模块将数据无线传输给本地服务器和个人客户端进行图像数字化处理。
8.根据权利要求6所述的一种全景VR交互式医学超声数字体模，其特征在于：所述VR设备包括全景VR设备和虚拟触控手套；
全景VR设备包括眼镜式VR设备和头盔式VR设备；
头盔式VR设备内部安装听筒和语音模块，语音模块和听筒交互使用。
9.根据权利要求6所述的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统，其特征在于：所述个人客户端为手机，所述本地服务器为计算机。
10.根据权利要求9所述的一种全景VR交互式医学超声数字体模系统，其特征在于：所述个人客户端上集成定位模块，能够实时定位。
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