CN111768494B - 一种用于关节脱位的手法复位训练方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于关节脱位的手法复位训练方法，包括CT影像数据转化步骤、关节脱位复位训练模型制作步骤、虚拟环境呈现步骤、图像识别配准步骤、手势交互步骤和训练过程录制步骤。本发明的用于关节脱位的手法复位训练方法，基于混合现实系统，提供一种虚拟环境作为训练的拓展手段，利用人机交互的方式，建立了现实与虚拟世界的数据联系，在进行手法复位训练的同时，可看到关节脱位的外表和内部形态改变，可实时观察到脱位关节间的相互位移，保证了真实的训练效果。

Description

一种用于关节脱位的手法复位训练方法
技术领域
本发明涉及一种用于关节脱位的手法复位训练方法。
背景技术
在医疗教学中，一般都需要通过人体模型进行实践教学，特别是在操作或手术教学上，不可能直接采用尸体进行教学，一般都会采用模拟的人体模型，进行操作或手术、解剖教学。
但是，目前的仿真模型有两个极端，其一是过于简单，使得其与真实的人体相差比较大，学生无法感受到在人体上进行剖切的真实感觉；其二是仿真度很高，但是成本高，不可能大量应用。
目前关节复位手术相关的检测手段如X线、CT、MRI等只能提供二维及重建影像，不能够精准、整体的反映病变的具体解剖部位以及其周围的血管神经的关系，需要操作者在脑海中根据二维影像还原重建三维影像进行操作或手术，难免会出现误差。此外对于此类的教学，通常无合适的实体模型操作，学生理解困难。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种用于关节脱位的手法复位训练方法，在进行手法复位训练的同时，可看到关节脱位的外表和内部形态改变，可实时观察到脱位关节间的相互位移，保证了真实的训练效果。
实现上述目的的技术方案是：一种用于关节脱位的手法复位训练方法，包括以下步骤：
S1，CT影像数据转化步骤：通过关节脱位的患者的CT影像数据，使用Mimics软件对关节部位解剖结构进行分割和提取，首先分析各断层图象的灰度直方图和三维图象的整体灰度直方图，交互给定分割阈值的上限和下限，对三维图象二值化；然后根据待重建组织的形态特征选取合适的形态学操作进行区域修整；最后用种子填充算法来填充出要分割的区域，最终将CT影像数据转化为数字化的三维模型数据；
S2，关节脱位复位训练模型制作步骤：在获取关节的数字化三维模型后，在计算机上对其进行修改和设计模具，在利用3D打印技术把关节相应部位的骨头及软组织模具打印出来，然后把打印出来的各部分按照其解剖结构组装起来形成关节脱位复位实体训练模型；
S3，虚拟环境呈现步骤：基于混合现实技术，通过计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟关节，为医生提供准确直观的关节的内部结构信息；
S4，图像识别配准步骤：基于图像识别算法，预先设计合适的标识物，利用图像识别技术对该识别物进行处理并存储其特征信息，在复位过程中，获取该识别物的实际空间位置，从而将虚拟关节与实体关节位置配准，用户透过实体关节的皮肤看到内部的骨块随着训练操作而产生相应的位置变化，从而达到训练的目的；
S5，手势交互步骤：依次通过图像获取，手势识别和分割、手势分析、静态手势分割和动态手势分割一系列过程实现手势交互功能；
S6，训练过程录制步骤：采用摄像头将训练过程的图像进行采集并量化成数字信号，然后压缩编码成数字视频，实现训练过程录制功能。
上述的一种用于关节脱位的手法复位训练方法，步骤S2中，关节相应部位的软组织是用和人体非常接近的硅胶制作出，使用3D打印技术打印出的关节脱位复位实体训练模型具有关节及其软组织的外形。
上述的一种用于关节脱位的手法复位训练方法，步骤S4中，所述标识物采用二维码，所述标识物保持与实体关节的相对位置不变。
上述的一种用于关节脱位的手法复位训练方法，步骤S5中，所述手势交互功能允许教师和/或学生在使用过程中对虚拟关节进行颜色、透明度、位置和转属性进行修改
上述的一种用于关节脱位的手法复位训练方法，步骤S6中，所述训练过程录制功能，一方面将学生的操作过程录制下来，供教师观察其操作过程中存在的问题，以便更好的指导；另一方面将教师的操作录制下来，供学生学习正确的骨折复位操作及需要注意的地方。
本发明的用于关节脱位的手法复位训练方法，基于混合现实系统，提供一种虚拟环境作为训练的拓展手段，利用人机交互的方式，建立了现实与虚拟世界的数据联系，保证了真实的训练效果,与现有技术相比有益效果体现在：
(1)使学生可看到关节脱位的外表和内部形态改变；
(2)使用关节脱位复位训练模型在进行手法复位训练的同时，可实时观察到脱位关节间的相互位移，使学生可直观学习；
(3)增加学生学习的兴趣；
(4)关节脱位复位训练模型可反复使用，降低成本。
附图说明
图1为本发明的用于关节脱位的手法复位训练方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：
请参阅图1，本发明的最佳实施例，一种用于关节脱位的手法复位训练方法，包括以下步骤：
S1，CT影像数据转化步骤：通过关节脱位的患者的CT影像数据，使用Mimics软件对关节部位解剖结构进行分割和提取，首先分析各断层图象的灰度直方图和三维图象的整体灰度直方图，交互给定分割阈值的上限和下限，对三维图象二值化；然后根据待重建组织的形态特征选取合适的形态学操作进行区域修整；最后用种子填充算法来填充出要分割的区域，最终将CT影像数据转化为数字化的三维模型数据；
S2，关节复位训练模型制作步骤：在获取关节的数字化三维模型后，在计算机上对其进行修改和设计模具，在利用3D打印技术把关节相应部位的骨头及软组织模具打印出来，然后把打印出来的各部分按照其解剖结构组装起来形成关节脱位复位实体训练模型；关节相应部位的软组织是用和人体非常接近的硅胶制作出，使用3D打印技术打印出的关节脱位复位实体训练模型具有关节及其软组织的外形；
S3，虚拟环境呈现步骤：基于混合现实技术，通过计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟关节，为医生提供准确直观的关节的内部结构信息；
S4，图像识别配准步骤：基于图像识别算法，预先设计合适的标识物，利用图像识别技术对该识别物进行处理并存储其特征信息，在复位过程中，获取该识别物的实际空间位置，从而将虚拟关节与实体关节位置配准，用户透过实体关节的皮肤看到内部的骨块随着训练操作而产生相应的位置变化，从而达到训练的目的；标识物采用二维码，所述标识物保持与实体关节的相对位置不变；
S5，手势交互步骤：依次通过图像获取，手势识别和分割、手势分析、静态手势分割和动态手势分割一系列过程实现手势交互功能；手势交互功能允许教师和/或学生在使用过程中对虚拟关节进行颜色、透明度、位置和转属性进行修改；
S6，训练过程录制步骤：采用摄像头将训练过程的图像进行采集并量化成数字信号，然后压缩编码成数字视频，实现训练过程录制功能。训练过程录制功能，一方面将学生的操作过程录制下来，供教师观察其操作过程中存在的问题，以便更好的指导；另一方面将教师的操作录制下来，供学生学习正确的骨折复位操作及需要注意的地方。
本发明的用于关节脱位的手法复位训练方法，可以应用在常见关节脱位情况，包括肩关节脱位、肘关节脱位、腕关节脱位以及髋关节脱位等，并且包括同一关节的不同脱位类型，包括前脱位、后脱位等。
本发明的用于关节脱位的手法复位训练方法，应用在肩关节脱位的手法复位训练，在使用时，
(1)将制作的仿真的肩关节脱位复位实体训练模型固定在桌子上；
(2)在肩关节脱位复位实体训练模型的特定位置安装标志物；
(3)佩戴MR(Mixed Reality，混合现实)设备，打开配套软件，立体显示肩关节脱位虚拟模型；
(4)扫描定位在仿真的肩关节脱位复位实体训练模型上的标志物，将虚拟模型匹配在仿真的肩关节脱位复位实体训练模型上；
(5)在进行复位操作训练时，训练者实时扫描定位标志物并显示骨块位置，以便训练者了解复位效果；
(6)当复位到正确位置时，虚拟肩关节骨块高亮。
本发明的用于关节脱位的手法复位训练方法，基于混合现实技术，通过计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的关节虚拟对象，并通过传感技术将关节虚拟对象叠加在关节实体模型中，关节实体模型和关节虚拟对象实时的显示在同一个画面或空间，用户利用显示设备，便可以看到一个感官效果真实的新训练环境，用户在新训练环境中进行关节脱位复位训练。
混合现实技术，是数字化技术的发展和延伸，具有虚实结合、实时交互、三维注册的特点，是虚拟现实技术的新阶段。通过计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过传感技术将虚拟对象叠加在真实环境中，真实的环境和虚拟的对象实时的显示在同一个画面或空间，用户利用显示设备，便可以看到一个感官效果真实的新环境，建立了用户与现实世界、虚拟世界之间的直接通道。
综上所述，本发明的用于关节脱位的手法复位训练方法，基于混合现实系统，提供一种虚拟环境作为训练的拓展手段，利用人机交互的方式，建立了现实与虚拟世界的数据联系，在进行手法复位训练的同时，可看到关节脱位的外表和内部形态改变，可实时观察到脱位关节间的相互位移，保证了真实的训练效果。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (1)

1.一种用于关节脱位的手法复位训练方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，CT影像数据转化步骤：通过关节脱位的患者的CT影像数据，使用Mimics软件对关节部位解剖结构进行分割和提取，首先分析各断层图象的灰度直方图和三维图象的整体灰度直方图，交互给定分割阈值的上限和下限，对三维图象二值化；然后根据待重建组织的形态特征选取合适的形态学操作进行区域修整；最后用种子填充算法来填充出要分割的区域，最终将CT影像数据转化为数字化的三维模型数据；
S2，关节脱位复位训练模型制作步骤：在获取关节的数字化三维模型后，在计算机上对其进行修改和设计模具，在利用3D打印技术把关节相应部位的骨头及软组织模具打印出来，然后把打印出来的各部分按照其解剖结构组装起来形成关节脱位复位实体训练模型；
S3，虚拟环境呈现步骤：基于混合现实技术，通过计算机图形技术和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟关节，为医生提供准确直观的关节的内部结构信息；
S4，图像识别配准步骤：基于图像识别算法，预先设计合适的标识物，利用图像识别技术对该识别物进行处理并存储其特征信息，在复位过程中，获取该识别物的实际空间位置，从而将虚拟关节与实体关节位置配准，用户透过实体关节的皮肤看到内部的骨块随着训练操作而产生相应的位置变化，从而达到训练的目的；
S5，手势交互步骤：依次通过图像获取，手势识别和分割、手势分析、静态手势分割和动态手势分割一系列过程实现手势交互功能；
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步骤S2中，关节相应部位的软组织是用和人体非常接近的硅胶制作出，使用3D打印技术打印出的关节脱位复位实体训练模型具有关节及其软组织的外形。
步骤S4中，所述标识物采用二维码，所述标识物保持与实体关节的相对位置不变，
步骤S5中，所述手势交互功能允许教师和/或学生在使用过程中对虚拟关节进行颜色、透明度、位置和转属性进行修改
步骤S6中，所述训练过程录制功能，一方面将学生的操作过程录制下来，供教师观察其操作过程中存在的问题，以便更好的指导；另一方面将教师的操作录制下来，供学生学习正确的骨折复位操作及需要注意的地方。
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