CN112164264A - 一种用于骨髓穿刺手术的虚拟现实训练系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于骨髓穿刺手术的虚拟现实训练系统，包括：用于建立二维医学图像的重建单元；用于构建虚拟场景的手术环境单元；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虚拟现实交互单元；所述虚拟现实交互单元包括：提供手术操作的手术操作单元和操作过程的数据显示单元。本发明提出一种用于骨髓穿刺手术的虚拟现实训练系统，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
技术领域
本发明属于计算机辅助外科手术教学领域，具体涉及一种用于骨髓穿刺手术的虚拟现实训练系统。
背景技术
骨髓穿刺术是适用于各种血液病的诊断、鉴别诊断及治疗随访；不明原因的红细 胞，白细胞、血小板数量增多或减少及形态学异常；不明原因发热的诊断与鉴别诊断，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骨髓穿刺术的训练，在实物模型上进行模拟训练，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，一具高仿生人体模型的价格大约在15万美金左右，普通的人体模型也需要2到3万美金，且频繁更换重复使用的零部件成本也不低，而使用尸体则又面临着尸源紧缺和伦理上的问题。因此，对于各大医疗机构，普遍存在着医师缺少训练设备而导致临床实践经验少的问题。
虚拟现实技术是近年来兴起的一门跨多个学科领域的技术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，医师就可以在虚拟环境中反复操作训练骨髓穿刺手术，有利于学生掌握好每一个操作的流程，更好地将知识和技能结合起来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)。
发明内容
本发明的目的在于设计一种用于骨髓穿刺手术的虚拟现实训练系统，用来改善现有医疗教学体系中教学资源不足的情况，此系统操作灵活，手术模拟度高，训练成本低，推广容易。
本发明的技术方案是：一种用于骨髓穿刺手术的虚拟现实训练系统，其特征在于，包括：用于建立二维医学图像的重建单元；用于构建虚拟场景的手术环境单元；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虚拟现实交互单元；所述虚拟现实交互单元包括：提供手术操作的手术操作单元和操作过程的数据显示单元。
在本发明一实施例中，所述手术环境单元是在3D MAX中构建虚拟手术环境，包括人体模型、手术室房间、手术器械、病床、显示器模型的构建，并将构建的模型导入Unity中设置模型之间的比例大小和相对位置，模拟真实手术环境，并添加相应脚本和控件，使得场景能够通过头戴式显示设备呈现；
在本发明一实施例中，所述虚拟现实交互单元的手术操作的手术操作单元包括：手术准备模块、穿刺模块、组织显隐模块、骨髓收集模块以及包扎模块。
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：通过使用VR设备包括头戴式显示设备和操作手柄将所述手术环境单元提供的手术环境呈现给操作人员并进行操作；
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，所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号响应所述的手术准备模块执行穿刺点标记操作；
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；所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述手术准备模块执行消毒操作；
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；所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述手术准备模块执行局部麻醉操作；
S5：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并执行无菌洞巾的铺盖操作；所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述手术准备模块执行无菌洞巾的铺盖操作；
S6：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并执行骨髓穿刺操作；所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述骨髓穿刺模块进行骨髓穿刺操作，通过所述数据显示单元显示穿刺的结果，包括深度与角度信息，还可以通过所述操作手柄选择对应按键操作，并执行人体模型的显隐，通过所述组织显隐模块执行人体模型的显隐；
S7：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行骨髓吸取操作，所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述骨髓收集模块进行骨髓收集操作；
S8：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行穿刺结束处理操作，所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述包扎模块执行包扎处理操作。
本发明具有如下优点：本发明提出的一种用于骨髓穿刺手术的虚拟现实训练系统，通过环境模型的建立，虚拟现实交互单元来熟悉手术环境、手术操作流程以及培训使用手术器械，数据显示单元可以显示出穿刺的数据，直观的反馈给操作人员，可以对穿刺过程进行反思和改进。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，使实习人员进行手术的风险性大大降低，降低培训成本，而且有利于医生演示对病人讲解骨髓穿刺过程，消除病人的紧张。
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为本发明一种用于训练骨髓穿刺手术的虚拟现实系统的系统框架图
图2为本发明一种用于训练骨髓穿刺手术的虚拟现实系统的操作实例
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。
本发明的技术方案是：一种用于骨髓穿刺手术的虚拟现实训练系统，其特征在于，包括：用于建立二维医学图像的重建单元；用于构建虚拟场景的手术环境单元；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虚拟现实交互单元；所述虚拟现实交互单元包括：提供手术操作的手术操作单元和操作过程的数据显示单元。
进一步的，在本实施例中，手术环境单元根据实际人体、病房环境和手术器械，通过3Dmax软件，建立对应的模型，并按实际色彩效果对各模型进行渲染。并将构建的模型导入Unity中设置模型之间的比例大小和相对位置，模拟真实手术环境，并添加相应脚本和控件，使得场景能够通过头戴式显示设备呈现。
进一步的，在本实施例中，虚拟现实交互单元的手术操作单元包括：手术准备模块、穿刺模块、组织显隐模块以及包扎模块。
在本实施例中，手术准备模块包括：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：骨髓针固定位置调节、骨髓针穿刺、骨髓液抽取、骨髓液转移置于切片四个步骤；组织显隐模块包括：显示和隐藏无菌洞巾、显示和隐藏人体模型两个内容；数据显示单元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。
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：通过使用VR设备包括头戴式显示设备和操作手柄将所述手术环境单元提供的手术环境呈现给操作人员并进行操作；
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，所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号响应所述的手术准备模块执行穿刺点标记操作；
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；所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述手术准备模块执行消毒操作；
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；所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述手术准备模块执行局部麻醉操作；
S5：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并执行无菌洞巾的铺盖操作；所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述手术准备模块执行无菌洞巾的铺盖操作；
S6：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并执行骨髓穿刺操作；所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述骨髓穿刺模块进行骨髓穿刺操作，通过所述数据显示单元显示穿刺的结果，包括深度与角度信息，还可以通过所述操作手柄选择对应按键操作，并执行人体模型的显隐，通过所述组织显隐模块执行人体模型的显隐；
S7：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行骨髓吸取操作，所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述骨髓收集模块进行骨髓收集操作；
S8：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行穿刺结束处理操作，所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述包扎模块执行包扎处理操作。
如图1所示本实例提供的骨髓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虚拟现实处理单元。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。此时培训人员结合自己的知识和经验进行手术。
操作人员按照如下步骤进行骨髓穿刺手术：
①穿刺点标记，用操作手柄拿起记号笔，在髂前上棘选择要穿刺的部位上做记号；
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，在穿刺部位反复擦拭，可见该部位随着擦拭变成棕色，消毒完成；
③局部麻醉，用左操作手柄拿起利多卡因药剂瓶，右操作手柄按下手柄侧键掰开注射瓶再拿起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；
⑤骨髓穿刺，用操作手柄拿起骨髓穿刺针，以右手持针向骨面竖直刺入。当针头接触骨质后，将穿刺针左右转动，缓缓钻入骨质，在穿刺针触碰到骨质时会有相应的阻力作用当感到阻力减少且穿刺针已固定在骨内直立不倒时为止。观察数据显示单元给出的穿刺位置信息，确保穿刺到位；
⑥骨髓液吸取，首先拔出骨髓针针心再用操作手柄拿起50ml注射器，放置在穿刺针末端，按下手柄的侧键，注射器活塞缓慢后移，针筒内出现液体，骨髓液采集完成；
⑦骨髓液转移，用左操作手柄拿起载玻片，右操作手柄拿着50ml注射器，针头对准载玻片按下手柄侧键，载玻片上出现液体，完成骨髓液的转移；
⑧包扎处理，用操作手柄拔出穿刺针，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)
1.一种用于骨髓穿刺手术的虚拟现实训练系统，其特征在于，包括：用于建立二维医学图像的重建单元；用于构建虚拟场景的手术环境单元；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虚拟现实交互单元；所述虚拟现实交互单元包括：提供手术操作的手术操作单元和操作过程的数据显示单元。
2.根据权利要求1所述的一种用于骨髓穿刺手术的虚拟现实训练系统，其特征在于，所述重建单元功能是：根据病人CT扫描图像以及病人信息的CT扫描/MR工图像重建出脊椎、骨盆的三维模型。
3.根据权利要求1所述的一种用于骨髓穿刺手术的虚拟现实训练系统，其特征在于，所述手术环境单元是在3D MAX中构建虚拟手术环境，包括人体模型、手术室房间、手术器械、病床、显示器模型的构建，并将构建的模型导入Unity中设置模型之间的比例大小和相对位置，模拟真实手术环境，并添加相应脚本和控件，使得场景能够通过头戴式显示设备呈现。
4.根据权利要求1所述的一种用于骨髓穿刺手术的虚拟现实训练系统，其特征在于，所述虚拟现实交互单元的手术手术操作单元包括：手术准备模块、穿刺模块、组织显隐模块、骨髓收集模块以及包扎模块。
5.根据权利要求4所述的一种用于骨髓穿刺手术的虚拟现实训练系统，其特征在于，操作人员通过如下步骤进行手术训练：
S1：通过使用VR设备包括头戴式显示设备和操作手柄将所述手术环境单元提供的手术环境呈现给操作人员并进行操作；
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，所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号响应所述的手术准备模块执行穿刺点标记操作；
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；所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述手术准备模块执行消毒操作；
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；所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述手术准备模块执行局部麻醉操作；
S5：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并执行无菌洞巾的铺盖操作；所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述手术准备模块执行无菌洞巾的铺盖操作；
S6：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并执行骨髓穿刺操作；所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述骨髓穿刺模块进行骨髓穿刺操作，通过所述数据显示单元显示穿刺的结果，包括深度与角度信息，还可以通过所述操作手柄选择对应按键操作，并执行人体模型的显隐，通过所述组织显隐模块执行人体模型的显隐；
S7：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行骨髓吸取操作，所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述骨髓收集模块进行骨髓收集操作；
S8：操作人员通过所述操作手柄选择对应的手术器械，并进行穿刺结束处理操作，所述手术操作单元会根据所述操作手柄所提供的信号，通过所述包扎模块执行包扎处理操作。
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