CN113160681A - 基于ar技术的牙齿种植手术训练系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于AR技术的牙齿种植手术训练系统，其特征在于，包括虚拟模型建模模块、AR识别模块、碰撞检测模块、力反馈模块、无牙颌组织形变模块以及手术操作模块；虚拟模型建模模块建立无牙颌组织和虚拟手术工具三维模型，利用其它模块实现操作现实中的力反馈设备末端手柄与电脑中的虚拟种牙环境交互进行牙齿种植虚拟手术训练。本发明可以反复训练，解决实验教学中资源短缺问题，增强培训的真实感，降低培训成本，让使用者更好的认识和理解牙齿种植手术。
Description
技术领域
本发明涉及AR技术领域，具体涉及一种基于AR技术的牙齿种植手术训练系统及方法。
背景技术
口腔医学是一门实用性强、可操作性强的学科。开展口腔医学操作技能培训是必不可少的。牙齿种植手术是口腔医学专业学生必备的基本技能之一，通过牙齿种植手术的训练，可以提高学生的实践能力，加深学生对牙齿种植技术的认识。人类的牙齿和口腔与其他哺乳动物有很大的不同，目前没有很好的替代品进行牙齿手术培训。传统的实验教学仍被用来培养学生操作技能，如离体牙体模型、离体牙体治疗、临床实习等。然而离体牙的接触有限，人工牙的成本高，其结构和材料与普通牙有很大的不同。它们这些训练方法由于缺乏与培训人员的互动和对培训效果的反馈，培训项目也很有限，培训缺乏真实性，且病例类型有限。此外，实习期间的材料消耗增加了培训成本，使学生很难获得适当的培训。
随着AR增强现实技术的发展，计算机辅助手术在医学领域受到越来越多的关注，因此，基于AR技术开发了一种牙齿种植手术训练系统，为口腔培训提供一种新的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于AR技术的牙齿种植手术训练系统及方法，能够高度逼真地模拟出现实中牙齿种植手术又便于用户学习，大大的节约了教学资源，提高了学习效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于AR技术的牙齿种植手术训练系统，包括虚拟模型建模模块、AR识别模块、碰撞检测模块、力反馈模块、无牙颌组织形变模块以及手术操作模块；所述虚拟模型建模模块建立无牙颌组织模型和虚拟手术工具模型；所述虚拟手术工具模型与手术操作模块、AR识别模块、碰撞检测模块分别连接；所述无牙颌组织模型与识别模块连接；所述碰撞检测模块还分别与识别模块、力反馈模块、无牙颌组织形变模块分别连接；所述手术操作模块与力反馈模块、无牙颌组织形变模块分别连接。
进一步的，所述无牙颌模型由选取的无牙志愿者CBCT影像数据，经Mimics、Geomagic以及SolidWorks软件逆向建模方法建立其三维实体模型。
进一步的，所述无牙颌模型包括黏膜组织模型、颌骨组织模型以及神经管模型，分别赋予不同材质进行区分。
进一步的，所述三维虚拟手术工具模型据牙齿种植手术需使用的手术工具通过SolidWorks软件建立,在系统中通过将力反馈设备末端手柄映射成模型中相应的手术工具供使用者操作。
进一步的，所述手术工具包括手术刀、球钻、先锋钻、扩孔钻、测深杆、成型钻、攻丝钻、适配器、螺丝刀、固定板手、棘轮扳手以及种植体。
进一步的，所述手术操作模块的手术操作包含黏膜切割、球钻在颌骨标点定位并打穿皮质骨、先锋钻钻孔导向、扩孔钻扩孔、成型钻颈部成型、攻丝钻攻内螺纹、固定板手与棘轮扳手配合使用将固位体旋入颌骨；所述牙齿种植手术通过改变颌骨组织透明度来确定手术工具钻孔或种植的位置情况。
进一步的，所述力反馈模块包括力反馈装置和力反馈装置末端手柄。
一种基于AR技术的牙齿种植手术训练系统的训练方法，包括以下步骤：
步骤S1：虚拟颌骨模型和手术器械通过识别模块在虚拟环境中呈现，通过力反馈装置末端手柄选择相应的手术工具，并映射显示在虚拟环境中；系统图形界面显示手术步骤图标，使用者通过手柄点击进入对应手术步骤进行训练；
步骤S2：使用者通过手持力反馈装置末端手柄选择对应的手术工具，使用碰撞检测模块检测到手柄碰撞到黏膜组织模型，触发切割黏膜组织操作；
步骤S3：使用者通过所述操作手柄选择对应的手术工具，降低颌骨模型透明度以便观察到手术工具在颌骨模型内的位置；使用碰撞检测模块检测到手柄碰撞到颌骨组织模型，执行球钻在颌骨标点定位操作；所述力反馈模块根据所述操作手柄提供的信号，提供力觉反馈给所述操作手柄，所述组织形变模块根据力反馈设备末端手柄提供的信号，相应模型有对应的形变反馈回显示器中；
步骤S4：使用者通过所述操作手柄选择对应的手术工具，使用碰撞检测模块检测到手柄碰撞到颌骨组织模型，执行先锋钻钻孔导向和扩孔钻扩孔操作；所述力反馈模块根据所述操作手柄提供的信号，提供力觉反馈给所述操作手柄，所述组织形变模块根据力反馈设备末端手柄提供的信号，相应模型有对应的形变反馈回显示器中；
步骤S5：使用者通过所述操作手柄选择对应的手术工具，使用碰撞检测模块检测到手柄碰撞到颌骨组织模型，执行成型钻颈部成型与攻丝钻攻内螺纹操作；所述力反馈模块根据所述操作手柄提供的信号，提供力觉反馈给所述操作手柄，所述组织形变模块根据力反馈设备末端手柄提供的信号，相应模型有对应的形变反馈回显示器中；
步骤S6：使用者通过所述操作手柄选择对应的手术工具，进行种植体的植入操作。并通过所述力反馈模块根据所述操作手柄提供的信号，提供力觉反馈给所述操作手柄；进行操作时，降低颌骨模型透明度以观察种植体植入的情况；
步骤S7：完成牙齿种植手术后，提示手术结束。整个过程处理器会记录使用人员的每个步骤操作，给出评估结果。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明通过对力反馈设备末端手柄的操作来实现手术训练，系统会通过处理相应的信息给出视觉以及触觉上的反馈。可以反复训练，增强医生培训的真实感，降低训练成本，有利于使用者认识和理解种植手术。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种基于AR的牙齿种植手术训练系统，包括：虚拟模型建模模块；AR识别模块；碰撞检测模块；力反馈模块；无牙颌组织形变模块以及手术操作模块。本发明虚拟模型建模模块建立无牙颌组织和虚拟手术工具三维模型，利用其它模块实现操作现实中的力反馈设备末端手柄与电脑中的虚拟种牙环境交互进行牙齿种植虚拟手术训练。
在本实施例中，虚拟模型建模模块包含虚拟无牙颌组织模型和虚拟手术工具模型的创建，无牙颌组织模型由选取的无牙志愿者CBCT影像数据，经Mimics、Geomagic以及SolidWorks软件逆向建模方法建立其三维实体模型；虚拟手术工具模型根据牙齿种植手术需使用的实际手术工具通过SolidWorks软件建立,在系统中通过将力反馈设备末端手柄映射成模型中相应的手术工具供使用者操作。
识别模块，其用于对特征点图像进行AR识别并呈现相应的模型于显示器中。其中包括无牙颌模型以及手术工具模型。
碰撞检测模块，采用自上而下的层次构建法建立无牙颌模型的AABB包围树，其用于在虚拟环境中检测操作手柄是否碰撞到无牙颌模型或手术工具模型。
手术操作模块，通过碰撞检测模块检测手柄碰撞到虚拟颌骨模型后进入该模块，手术操作包含黏膜切割、球钻在颌骨标点定位并打穿皮质骨、先锋钻钻孔导向、扩孔钻扩孔、成型钻颈部成型、攻丝钻攻内螺纹、固定板手与棘轮扳手配合使用将固位体旋入颌骨；所述牙齿种植手术通过改变颌骨组织透明度来确定手术工具钻孔或种植的位置情况。通过力反馈设备末端手柄映射的手术工具对虚拟环境无牙颌模型进行相应的手术操作，能实时检测到手术工具的世界坐标位置。在虚拟手术操作过程中，系统会实时地呈现手术模型形变效果，力反馈效果，风险提醒以及结果判断。
无牙颌组织形变模块，其用于在检测到力反馈设备末端手柄对相应无牙颌组织部位进行操作时，在显示器上呈现相应的三维无牙颌组织模型的形变情况，形变基于三角面片；
力反馈模块，系统会根据手术工具尖端与颌骨组织模型之间的交互情况，计算力/力矩并赋予手术工具实时的力觉反馈给使用者。
优选的，在本实施例中，建立的无牙颌模型包括黏膜组织、颌骨组织以及神经管，分别赋予不同材质进行区分。通过对无牙颌模型的各个结构进行显隐或改变透明度来确定手术工具在模型内操作的位置。将无牙颌模型和手术工具模型导入Unity3D资源库。
优选的，在本实施例中，所述碰撞检测模块中手柄碰撞到手术工具模型，进行手术工具的显隐，以选择需要的手术工具。
优选的，在本实施例中，三维虚拟手术工具模型包括手术刀、球钻、先锋钻、扩孔钻、测深杆、成型钻、攻丝钻、适配器、螺丝刀、固定板手、棘轮扳手以及种植体。
本发明还提供一种基于AR技术的牙齿种植手术训练系统的训练方法，包括以下步骤：
步骤S1：虚拟颌骨模型和手术器械通过识别模块在虚拟环境中呈现，通过力反馈装置末端手柄选择相应的手术工具，并映射显示在虚拟环境中；系统图形界面显示手术步骤图标，使用者通过手柄点击进入对应手术步骤进行训练；
步骤S2：使用者通过手持力反馈装置末端手柄选择对应的手术工具，使用碰撞检测模块检测到手柄碰撞到黏膜组织模型，触发切割黏膜组织操作；
步骤S3：使用者通过所述操作手柄选择对应的手术工具，降低颌骨模型透明度以便观察到手术工具在颌骨模型内的位置；使用碰撞检测模块检测到手柄碰撞到颌骨组织模型，执行球钻在颌骨标点定位操作；所述力反馈模块根据所述操作手柄提供的信号，提供力觉反馈给所述操作手柄，所述组织形变模块根据力反馈设备末端手柄提供的信号，相应模型有对应的形变反馈回显示器中；
步骤S4：使用者通过所述操作手柄选择对应的手术工具，使用碰撞检测模块检测到手柄碰撞到颌骨组织模型，执行先锋钻钻孔导向和扩孔钻扩孔操作；所述力反馈模块根据所述操作手柄提供的信号，提供力觉反馈给所述操作手柄，所述组织形变模块根据力反馈设备末端手柄提供的信号，相应模型有对应的形变反馈回显示器中；
步骤S5：使用者通过所述操作手柄选择对应的手术工具，使用碰撞检测模块检测到手柄碰撞到颌骨组织模型，执行成型钻颈部成型与攻丝钻攻内螺纹操作；所述力反馈模块根据所述操作手柄提供的信号，提供力觉反馈给所述操作手柄，所述组织形变模块根据力反馈设备末端手柄提供的信号，相应模型有对应的形变反馈回显示器中；
步骤S6：使用者通过所述操作手柄选择对应的手术工具，进行种植体的植入操作。并通过所述力反馈模块根据所述操作手柄提供的信号，提供力觉反馈给所述操作手柄；进行操作时，降低颌骨模型透明度以观察种植体植入的情况；
步骤S7：完成牙齿种植手术后，提示手术结束。整个过程处理器会记录使用人员的每个步骤操作，给出评估结果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种基于AR技术的牙齿种植手术训练系统，其特征在于，包括虚拟模型建模模块、AR识别模块、碰撞检测模块、力反馈模块、无牙颌组织形变模块以及手术操作模块；所述虚拟模型建模模块建立无牙颌组织模型和虚拟手术工具模型；所述虚拟手术工具模型与手术操作模块、AR识别模块、碰撞检测模块分别连接；所述无牙颌组织模型与识别模块连接；所述碰撞检测模块还分别与识别模块、力反馈模块、无牙颌组织形变模块分别连接；所述手术操作模块与力反馈模块、无牙颌组织形变模块分别连接。
2.根据权利要求1所述的基于AR技术的牙齿种植手术训练系统，其特征在于，所述无牙颌模型由选取的无牙志愿者CBCT影像数据，经Mimics、Geomagic以及SolidWorks软件逆向建模方法建立其三维实体模型。
3.根据权利要求2所述的基于AR技术的牙齿种植手术训练系统，其特征在于，所述无牙颌模型包括黏膜组织模型、颌骨组织模型以及神经管模型，分别赋予不同材质进行区分。
4.根据权利要求1所述的基于AR技术的牙齿种植手术训练系统，其特征在于，所述三维虚拟手术工具模型据牙齿种植手术需使用的手术工具通过SolidWorks软件建立,在系统中通过将力反馈设备末端手柄映射成模型中相应的手术工具供使用者操作。
5.根据权利要求4所述的基于AR技术的牙齿种植手术训练系统，其特征在于，所述手术工具包括手术刀、球钻、先锋钻、扩孔钻、测深杆、成型钻、攻丝钻、适配器、螺丝刀、固定板手、棘轮扳手以及种植体。
6.根据权利要求1所述的基于AR技术的牙齿种植手术训练系统，其特征在于，所述手术操作模块的手术操作包含黏膜切割、球钻在颌骨标点定位并打穿皮质骨、先锋钻钻孔导向、扩孔钻扩孔、成型钻颈部成型、攻丝钻攻内螺纹、固定板手与棘轮扳手配合使用将固位体旋入颌骨；所述牙齿种植手术通过改变颌骨组织透明度来确定手术工具钻孔或种植的位置情况。
7.根据权利要求1所述的基于AR技术的牙齿种植手术训练系统，其特征在于，所述力反馈模块包括力反馈装置和力反馈装置末端手柄。
8.一种基于AR技术的牙齿种植手术训练系统的训练方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：虚拟颌骨模型和手术器械通过识别模块在虚拟环境中呈现，通过力反馈装置末端手柄选择相应的手术工具，并映射显示在虚拟环境中；系统图形界面显示手术步骤图标，使用者通过手柄点击进入对应手术步骤进行训练；
步骤S2：使用者通过手持力反馈装置末端手柄选择对应的手术工具，使用碰撞检测模块检测到手柄碰撞到黏膜组织模型，触发切割黏膜组织操作；
步骤S3：使用者通过所述操作手柄选择对应的手术工具，降低颌骨模型透明度以便观察到手术工具在颌骨模型内的位置；使用碰撞检测模块检测到手柄碰撞到颌骨组织模型，执行球钻在颌骨标点定位操作；所述力反馈模块根据所述操作手柄提供的信号，提供力觉反馈给所述操作手柄，所述组织形变模块根据力反馈设备末端手柄提供的信号，相应模型有对应的形变反馈回显示器中；
步骤S4：使用者通过所述操作手柄选择对应的手术工具，使用碰撞检测模块检测到手柄碰撞到颌骨组织模型，执行先锋钻钻孔导向和扩孔钻扩孔操作；所述力反馈模块根据所述操作手柄提供的信号，提供力觉反馈给所述操作手柄，所述组织形变模块根据力反馈设备末端手柄提供的信号，相应模型有对应的形变反馈回显示器中；
步骤S5：使用者通过所述操作手柄选择对应的手术工具，使用碰撞检测模块检测到手柄碰撞到颌骨组织模型，执行成型钻颈部成型与攻丝钻攻内螺纹操作；所述力反馈模块根据所述操作手柄提供的信号，提供力觉反馈给所述操作手柄，所述组织形变模块根据力反馈设备末端手柄提供的信号，相应模型有对应的形变反馈回显示器中；
步骤S6：使用者通过所述操作手柄选择对应的手术工具，进行种植体的植入操作;
并通过所述力反馈模块根据所述操作手柄提供的信号，提供力觉反馈给所述操作手柄；进行操作时，降低颌骨模型透明度以观察种植体植入的情况；
步骤S7：完成牙齿种植手术后，提示手术结束;
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210723 |