CN112017753A - 一种基于vr技术的腹腔穿刺手术训练系统 - Google Patents

一种基于vr技术的腹腔穿刺手术训练系统 Download PDF

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何炳蔚
陈刚
刘宇清
刘莉
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Abstract

本发明提供一种基于VR技术的腹腔穿刺手术训练系统，包括：用于建立三维虚拟模型的建模单元、提供虚拟显示环境的头戴式显示设备、提供虚拟现实手术操作的操作手柄及VR执行单元；所述VR执行单元包括：提供虚拟手术环境的VR环境单元和提供手术操作的VR手术单元。本发明提出一种基于VR技术的腹腔穿刺手术训练系统，解决实验教学中资源短缺问题，增强医生培训的真实感，降低培训成本，而且有利于医生总结经验，避免医患纠纷。

Description

一种基于VR技术的腹腔穿刺手术训练系统
技术领域
本发明属于计算机辅助外科手术教学领域，具体涉及一种基于VR技术的腹腔穿刺手术训练系统。
背景技术
腹腔穿刺术是通过穿刺针或导管直接从腹前壁刺入腹膜腔抽取腹腔积液，用以协助诊断和治疗疾病的一项技术。
腹腔穿刺术是确定有无腹水及鉴别腹水性质的简易方法，是外科医生需要熟练掌握的基本技能。目前，实习医师普遍使用实体模型或尸体进行腹腔穿刺术的训练，在实物模型上进行模拟训练，虽然能比较快地过度到人体试验上，但为了使效果与真实人体更接近，模型不得不制作得很精密逼真，甚至要求具备人体的力学性能，模型的成本就非常高，相关资料表明，一具高仿真人体模型的价格大约在15万美金左右，普通点的人体模型也需要2到3万美金，且频繁更换穿刺部位的零部件成本也不低，而使用尸体则又面临着尸源紧缺和道德伦理上的问题。因此，对于各大医疗机构，普遍存在着医师缺少模拟训练设备而导致手术技艺不高的问题，特别是像腹腔穿刺这种及其依赖于医师技艺的手术。
虚拟现实技术的出现可以有效解决训练资源紧缺的问题，利用虚拟技术搭建对应的手术环境，医师就可以在虚拟世界中反复操练该项手术的技能，在缩短医师培养周期的同时也节约了器材投入成本(一套虚拟现实设备仅需要2万人民币)。目前已经有不少外科手术的虚拟现实训练系统，如：侧脑室穿刺、骨髓穿刺和腰椎穿刺等，并且有部分系统已经在医疗机构中进行试用，获得医师的良好评价。然而目前并没有出现比较完整的虚拟腹腔穿刺训练系统，亦没有相关的发明问世。
发明内容
本发明的目的在于设计一种基于VR技术的腹腔穿刺手术训练系统，以克服现有医疗教学体系中存在的缺陷，此系统开发简单，操作容易，模拟度高，训练成本极低。
本发明是这样实现的：一种基于VR技术的腹腔穿刺手术训练系统，包括：用于建立三维虚拟模型的建模单元、提供虚拟显示环境的头戴式显示设备、提供虚拟现实手术操作的操作手柄及VR执行单元；所述VR执行单元包括：提供虚拟手术环境的VR环境单元和提供手术操作的VR手术单元。
在本发明一实施例中，所述建模单元功能是：根据实际腹腔穿刺情况，用3Dmax软件完成人体模型，手术器械和病房设施和房间的建模，按实际色彩效果对各模型进行渲染。
在本发明一实施例中，所述VR环境单元的功能是：将建模单元导出的模型，在Unity中通过调整大小、位置和旋转整合成病房的场景，并设置相关脚本控件，使场景能完整地出现在佩戴头戴式显示设备的操作人员的视野里。
在本发明一实施例中，所述VR手术单元包括：准备模块、穿刺模块、止血模块、显示模块以及交互模块。
在本发明一实施例中，操作人员通过如下步骤进行手术训练操作：
S1：通过所述VR环境单元提供对应的手术环境(病房、病人、手术器械等)，通过所述头戴式显示设备将手术环境呈现给操作人员；
S2：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行穿刺点标记操作，所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述准备模块进行穿刺点标记操作；
S3：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行消毒操作；所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述准备模块进行消毒操作；
S4：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行局部麻醉操作；所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述准备模块进行局部麻醉操作；
S5：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行铺盖无菌洞巾操作；所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述准备模块进行铺盖无菌洞巾操作；
S6：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行腹腔穿刺操作；所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述穿刺模块进行腹腔穿刺操作，通过所述显示模块显示穿刺结果，包括深度与角度信息；
S7：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行腹腔液吸取操作，所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述穿刺模块进行腹腔液吸取操作；
S8：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行腹腔液转移操作，所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述穿刺模块进行腹腔液转移操作；
S9：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行穿刺结束处理操作，所述VR执行处理单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述止血模块进行穿刺结束处理操作。
本发明具有如下优点：本发明提出的一种基于虚拟现实平台的侧脑室穿刺手术训练系统，通过3D模型建立，VR交互模块判断手术目标以及培训人员使用手术器械情况，处理器通过处理给出指导信息以及纠正信息，不仅解决实验教学中资源短缺问题，增强医生培训的真实感，使非熟练人员实习手术的风险性大大降低，降低培训成本，而且有利于医生总结经验，避免医患纠纷。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一种基于VR技术的腹腔穿刺手术训练系统的系统框架图
图2为本发明一种基于VR技术的腹腔穿刺手术训练系统的手术过程图
图3为本发明一种基于VR技术的腹腔穿刺手术训练系统的实施例开始界面
图4为本发明一种基于VR技术的腹腔穿刺手术训练系统的实施例结果界面
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提出了一种基于VR技术的腹腔穿刺手术训练系统，包括：用于建立三维虚拟模型的建模单元、提供虚拟显示环境的头戴式显示设备、提供虚拟现实手术操作的操作手柄及VR执行单元；所述VR执行单元包括：提供虚拟手术环境的VR环境单元和提供手术操作的VR手术单元。
进一步的，在本实施例中，建模单元根据实际人体模型、病房环境和手术器械样品，通过3Dmax软件，建立人体、手术器械、病房设施和房间的三维虚拟模型，并按实际色彩效果对各模型进行渲染。
进一步的，在本实施例中，VR环境单元实现手术环境的真实还原，将来自建模单元的模型导入Unity资源库中，按真实病房布置对各模型进行安置摆放，设置声音灯光等效果，最终把场景连接到头戴式显示设备上，实现手术环境真实模拟。
进一步的，在本实施例中，VR手术单元包括：穿刺准备模块、穿刺模块、止血模块、显示模块以及交互模块。
在本实施例中，穿刺准备模块包括：穿刺点标记、消毒、局部麻醉、铺无菌洞巾四个步骤；穿刺模块包括：腹腔穿刺、腹腔液吸取、腹腔液转移三个步骤；止血模块包括：拔出穿刺管、粘贴无菌纱布两个步骤；显示模块可以显示穿刺的深度和角度，方便培训人员对操作过程进行判断；交互模块即为培训人员与各个手术器械的信息反馈，使操作人员可以正常使用手术器械。
进一步的，在本实施例中，操作人员通过如下步骤进行手术训练操作：
S1：通过所述VR环境单元提供对应的手术环境(病房、病人、手术器械等)，通过所述头戴式显示设备将手术环境呈现给操作人员；
S2：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行穿刺点标记操作，所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述准备模块进行穿刺点标记操作；
S3：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行消毒操作；所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述准备模块进行消毒操作；
S4：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行局部麻醉操作；所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述准备模块进行局部麻醉操作；
S5：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行铺盖无菌洞巾操作；所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述准备模块进行铺盖无菌洞巾操作；
S6：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行腹腔穿刺操作；所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述穿刺模块进行腹腔穿刺操作，通过所述显示模块显示穿刺结果，包括深度与角度信息；
S7：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行腹腔液吸取操作，所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述穿刺模块进行腹腔液吸取操作；
S8：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行腹腔液转移操作，所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述穿刺模块进行腹腔液转移操作；
S9：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行穿刺结束处理操作，所述VR执行处理单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述止血模块进行穿刺结束处理操作。
为了让本领域技术人员进一步了解本发明所提出的技术方案，下面结合具体实施例进行说明。
如图1所示本实例提供的腹腔穿刺手术训练系统中，硬件设备包括基于VR平台的头戴式显示器、操作手柄、中央处理器以及定位器，软件系统包括搭载于中央处理器的VR执行单元。操作人员佩戴好虚拟现实设备，进入系统，即可看到虚拟环境中的场景显示界面。
操作人员通过操作手柄选择开始手术选项，操作手柄立即向处理器发出信号，即进入手术环境。虚拟环境显示病房、病人以及手术器械。此时培训人员结合知识和经验判断手术过程。
操作人员按照如下步骤进行腹腔穿刺手术：
①穿刺点标记，用操作手柄拿起蓝色记号笔，在人体腹部选择要穿刺的点做上圆点记号，标记完成；
②消毒，用操作手柄拿起镊子并夹起无菌棉球，沾上碘酒后棉球变棕色，在腹部穿刺部位反复擦拭，该部位颜色先变为棕色随后变为深棕色，消毒完成；
③局部麻醉，用左操作手柄拿起利多卡因药剂瓶，右操作手柄拿起5ml注射器，针头对准药剂瓶口并按下手柄侧键，吸取药剂后注射器活塞后移，在穿刺部位进行再次按下手柄侧键进行注射，注射器活塞退回初始位置，麻醉完成；
④铺无菌洞巾，用操作手柄拿起无菌洞巾，按下手柄的侧键，原本折叠的无菌洞巾会展开铺盖在病人身上，仅露出已经消毒的部位；
⑤腹腔穿刺，用操作手柄拿起腹腔穿刺管，针头垂直扎入腹部消毒范围中心，观察显示模块提示的穿刺针头位置信息，确保穿刺到位；
⑥腹腔液吸取，用操作手柄拿起50ml注射器，放置在穿刺管末端，按下手柄的侧键，注射器活塞缓慢后移，针筒内出现液体，腹腔液采集完成，；
⑦腹腔液转移，用左操作手柄拿起试管，右操作手柄拿着50ml注射器，针头对准试管口按下手柄侧键，注射器活塞退回初始位置，试管内出现液体，完成腹腔液转移；
⑧穿刺后处理，用操作手柄拔出穿刺管，拿起无菌纱布粘贴在穿刺点上进行止血，撤去无菌洞巾，病人恢复原样，以便再次训练。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用为超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于VR技术的腹腔穿刺手术训练系统，其特征在于，包括：用于建立三维虚拟模型的建模单元、提供虚拟环境的头戴式显示设备、提供虚拟现实手术操作的操作手柄及VR执行单元；所述VR执行单元包括：提供虚拟手术环境的VR环境单元和提供手术操作的VR手术单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的腹腔穿刺手术训练系统，其特征在于，所述建模单元功能是：根据实际腹腔穿刺情况，用3Dmax软件完成人体模型，手术器械和病房设施及房间的建模，按实际色彩效果对各模型进行渲染。
3.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的腹腔穿刺手术训练系统，其特征在于，所述VR环境单元的功能是：将建模单元导出的模型，在Unity中通过调整大小、位置和旋转整合成病房的场景，并设置相关脚本控件，使场景能完整地出现在佩戴头戴式显示设备的操作人员的视野里。
4.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的腹腔穿刺手术训练系统，其特征在于，所述VR手术单元包括：准备模块、穿刺模块、止血模块、显示模块以及交互模块。
5.根据权利要求3所述的一种基于VR技术的腹腔穿刺手术训练系统，其特征在于，操作人员通过如下步骤进行穿刺训练：
S1：通过所述VR环境单元提供对应的手术环境(病房、病人、手术器械等)，通过所述头戴式显示设备将手术环境呈现给操作人员；
S2：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行穿刺点标记操作，所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述准备模块进行穿刺点标记操作；
S3：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行消毒操作；所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述准备模块进行消毒操作；
S4：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行局部麻醉操作；所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述准备模块进行局部麻醉操作；
S5：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行铺盖无菌洞巾操作；所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述准备模块进行铺盖无菌洞巾操作；
S6：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行腹腔穿刺操作；所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述穿刺模块进行腹腔穿刺操作，通过所述显示模块显示穿刺结果，包括深度与角度信息；
S7：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行腹腔液吸取操作，所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述穿刺模块进行腹腔液吸取操作；
S8：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行腹腔液转移操作，所述VR执行单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述穿刺模块进行腹腔液转移操作；
S9：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行穿刺结束处理操作，所述VR执行处理单元根据所述操作手柄提供的信号，通过所述止血模块进行穿刺结束处理操作。
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