CN113963609B - 一种基于vr技术的神经外科手术模拟操作模型 - Google Patents

一种基于vr技术的神经外科手术模拟操作模型 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型，包括用于实时检测医护人员动态的反馈机构、配合成像机构和用于将动作实时模拟成像的调节机构，调节机构安装在密封机构前端，密封机构内部安装有配合成像机构，密封机构中心位置设置有模拟颅骨，模拟颅骨外部设置有反馈机构，调节机构动力端连接有升降调节机构。本发明利用反馈机构、配合成像机构对医护人员手部和器械进行动态实时监测，从而能够将清晰虚拟影像反馈到调节机构上，且调节机构能够根据医护人员的视线也进行实时调整，提高装置整体的精确度和实用性，利用外部成像方式且实时调整的结构，避免使用过于笨重且分辨率不高的vr眼镜，提高装置整体的使用度。

Description

一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型
技术领域
本发明涉及神经外科手术模拟领域，特别是涉及一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型。
背景技术
脑组织牵拉是神经外科的基本技术。为了既不损伤脑组织又能得到有效的手术操作空间，对脑压板的摆放位置，板头方向，牵拉的力量必须有适当的标准。然而，对于一个没有经验的神经外科医生如果需要掌握这项技术需要了解如何用正确的方式使用脑压板。通过现有的3D打印技术来打印出脑组织来进行教学模拟成为各大医学院校的首选。
虚拟现实技术是20世纪发展起来的一项全新的实用技术。虚拟现实技术囊括计算机、电子信息、仿真技术，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业对VR技术的需求日益旺盛。VR技术也取得了巨大进步，并逐步成为一个新的科学技术领域。
目前在医学领域中很多培训方式采用虚拟显示技术，但是因为vr眼镜其自身的限制，在使用时需要佩戴过大的眼镜的同时，分辨率也受到了一定的约束，而虚拟显示并不受限于vr眼镜。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型，包括用于实时检测医护人员动态的反馈机构、配合成像机构和用于将动作实时模拟成像的调节机构，调节机构安装在密封机构前端，所述密封机构内部安装有所述配合成像机构，所述密封机构中心位置设置有模拟颅骨，所述模拟颅骨外部设置有所述反馈机构，所述调节机构动力端连接有升降调节机构；
所述密封机构包括密封箱、放置盒、状态显示器，所述密封箱前端下部安装有所述放置盒，所述密封箱上端安装有所述状态显示器；
所述调节机构包括虚拟显示屏、红外摄像头、旋转电机、旋转支架，所述虚拟显示屏两端后部安装有所述旋转电机，所述旋转电机外侧连接有所述旋转支架，所述虚拟显示屏前端上侧和两侧均设置有所述红外摄像头，所述旋转支架后端连接有升降滑块，所述升降滑块连接在升降滑轨上；
所述反馈机构包括反馈手套、数据线、内衬、压力传感器，两个所述反馈手套通过所述数据线连接在所述密封箱上，所述反馈手套内部设置有所述内衬，所述反馈手套和所述内衬之间设置有所述压力传感器，所述反馈手套各指头背面设置有振动马达；
所述配合成像机构包括透明支撑架、两侧动作捕捉器、上端动作捕捉器、下端动作捕捉器，所述透明支撑架安装在所述密封箱内部底面，所述透明支撑架下端设置有所述下端动作捕捉器，所述透明支撑架上端设置有所述模拟颅骨，所述模拟颅骨上侧设置有所述上端动作捕捉器，所述上端动作捕捉器两侧设置有所述两侧动作捕捉器。
优选的：所述升降调节机构包括升降螺杆、升降电机、螺杆架，两个所述螺杆架安装在所述升降滑轨前端，所述螺杆架之间设置有所述升降螺杆，所述升降螺杆顶端连接有所述升降电机，所述升降滑块连接在所述升降螺杆上。
如此设置，当需要对所述虚拟显示屏进行升降调节时，所述升降电机带动所述升降螺杆配合所述升降滑块，从而使得所述虚拟显示屏升降。
优选的：所述升降调节机构包括同步带支撑架、动力轮、被动轮、同步带，两个所述同步带支撑架安装在所述升降滑轨前端，所述动力轮安装在所述同步带支撑架上侧，所述被动轮安装在所述同步带支撑架下侧，所述动力轮和所述被动轮之间通过所述同步带连接，所述升降滑块连接在所述同步带上。
如此设置，当需要对所述虚拟显示屏进行升降时，所述动力轮内部电机启动通过所述同步带带动所述升降滑块升降。
优选的：所述放置盒滑动连接所述密封箱，所述状态显示器通过螺栓连接所述密封箱，所述密封箱为前端设置有开口的箱体，所述状态显示器内部安装有处理器。
如此设置，所述状态显示器用于反馈医护人员各手指的力度活动范围数据，从而进行记录反馈。
优选的：所述虚拟显示屏后端通过固定架连接所述旋转电机，所述红外摄像头镶嵌在所述虚拟显示屏前端。
如此设置，所述虚拟显示屏用于虚拟成像，将捕捉到的手部数据配合所述模拟颅骨进行虚拟真实手术场景，且所述红外摄像头能够检测医护人员视线范围，动态调整所述虚拟显示屏的角度和高度，从而模拟真实场景。
优选的：所述旋转支架通过螺栓连接所述旋转电机、所述升降滑块，所述升降滑块滑动连接所述升降滑轨。
如此设置，所述旋转电机用于调节所述虚拟显示屏的角度，所述升降滑块用于调节所述虚拟显示屏的高度。
优选的：所述内衬内嵌于所述反馈手套，所述压力传感器通过胶粘连接所述压力传感器，所述压力传感器、所述振动马达通过导线连接所述状态显示器。
如此设置，所述压力传感器实时检测和反馈医护人员各指部的数据，并且通过握持器械的姿势以及动态，从而配合所述配合成像机构进行虚拟成像。
优选的：所述反馈手套、所述内衬均为弹性硅胶材质。
如此设置，利用弹性硅胶使所述反馈机构整体更加贴合手部，从而提高反馈机构和配合成像机构监测的精确度，且成像更加精确。
优选的：所述透明支撑架、所述两侧动作捕捉器、所述上端动作捕捉器、所述下端动作捕捉器通过螺栓连接所述密封箱，所述两侧动作捕捉器、所述上端动作捕捉器、所述下端动作捕捉器通过导线连接所述状态显示器。
如此设置，利用四个方位进行实时监测，保证器械和手部均能全方位监测到，提高成像效果。
优选的：所述升降螺杆通过螺纹连接所述升降滑块，所述升降螺杆通过轴承连接所述螺杆架。
如此设置，利用螺杆的自锁性以及配合效果，从而快速有效的调节所述虚拟显示屏的高度。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、利用反馈机构、配合成像机构对医护人员手部和器械进行动态实时监测，从而能够将清晰虚拟影像反馈到所述调节机构上，且调节机构能够根据医护人员的视线也进行实时调整，提高装置整体的精确度和实用性；
2、利用外部成像方式且实时调整的结构，避免使用过于笨重且分辨率不高的vr眼镜，提高装置整体的使用度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型的第一结构示意图；
图2是本发明所述一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型的第二结构示意图；
图3是本发明所述一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型的调节机构第一结构示意图；
图4是本发明所述一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型的调节机构第二结构示意图；
图5是本发明所述一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型的密封箱内部结构示意图；
图6是本发明所述一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型的反馈机构内部结构示意图；
图7是本发明所述一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型的升降螺杆结构示意图；
图8是本发明所述一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型的同步带结构示意图。
附图标记说明如下：
1、密封机构；2、调节机构；3、反馈机构；4、配合成像机构；5、模拟颅骨；6、升降调节机构；11、密封箱；12、放置盒；13、状态显示器；21、虚拟显示屏；22、红外摄像头；23、旋转电机；24、旋转支架；25、升降滑块；26、升降滑轨；31、反馈手套；32、数据线；33、内衬；34、压力传感器；35、振动马达；41、透明支撑架；42、两侧动作捕捉器；43、上端动作捕捉器；44、下端动作捕捉器；61、升降螺杆；62、升降电机；63、螺杆架；611、同步带支撑架；612、动力轮；613、被动轮；614、同步带。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例1
如图1-图7所示，一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型，包括用于实时检测医护人员动态的反馈机构3、配合成像机构4和用于将动作实时模拟成像的调节机构2，调节机构2安装在密封机构1前端，密封机构1内部安装有配合成像机构4，密封机构1中心位置设置有模拟颅骨5，模拟颅骨5外部设置有反馈机构3，调节机构2动力端连接有升降调节机构6；
密封机构1包括密封箱11、放置盒12、状态显示器13，密封箱11前端下部安装有放置盒12，密封箱11上端安装有状态显示器13；
调节机构2包括虚拟显示屏21、红外摄像头22、旋转电机23、旋转支架24，虚拟显示屏21两端后部安装有旋转电机23，旋转电机23外侧连接有旋转支架24，虚拟显示屏21前端上侧和两侧均设置有红外摄像头22，旋转支架24后端连接有升降滑块25，升降滑块25连接在升降滑轨26上；
反馈机构3包括反馈手套31、数据线32、内衬33、压力传感器34，两个反馈手套31通过数据线32连接在密封箱11上，反馈手套31内部设置有内衬33，反馈手套31和内衬33之间设置有压力传感器34，反馈手套31各指头背面设置有振动马达35；
配合成像机构4包括透明支撑架41、两侧动作捕捉器42、上端动作捕捉器43、下端动作捕捉器44，透明支撑架41安装在密封箱11内部底面，透明支撑架41下端设置有下端动作捕捉器44，透明支撑架41上端设置有模拟颅骨5，模拟颅骨5上侧设置有上端动作捕捉器43，上端动作捕捉器43两侧设置有两侧动作捕捉器42。
优选的：升降调节机构6包括升降螺杆61、升降电机62、螺杆架63，两个螺杆架63安装在升降滑轨26前端，螺杆架63之间设置有升降螺杆61，升降螺杆61顶端连接有升降电机62，升降滑块25连接在升降螺杆61上，当需要对虚拟显示屏21进行升降调节时，升降电机62带动升降螺杆61配合升降滑块25，从而使得虚拟显示屏21升降；放置盒12滑动连接密封箱11，状态显示器13通过螺栓连接密封箱11，密封箱11为前端设置有开口的箱体，状态显示器13内部安装有处理器，状态显示器13用于反馈医护人员各手指的力度活动范围数据，从而进行记录反馈；虚拟显示屏21后端通过固定架连接旋转电机23，红外摄像头22镶嵌在虚拟显示屏21前端，虚拟显示屏21用于虚拟成像，将捕捉到的手部数据配合模拟颅骨5进行虚拟真实手术场景，且红外摄像头22能够检测医护人员视线范围，动态调整虚拟显示屏21的角度和高度，从而模拟真实场景；旋转支架24通过螺栓连接旋转电机23、升降滑块25，升降滑块25滑动连接升降滑轨26，旋转电机23用于调节虚拟显示屏21的角度，升降滑块25用于调节虚拟显示屏21的高度；内衬33内嵌于反馈手套31，压力传感器34通过胶粘连接压力传感器34，压力传感器34、振动马达35通过导线连接状态显示器13，压力传感器34实时检测和反馈医护人员各指部的数据，并且通过握持器械的姿势以及动态，从而配合配合成像机构4进行虚拟成像；反馈手套31、内衬33均为弹性硅胶材质，利用弹性硅胶使反馈机构3整体更加贴合手部，从而提高反馈机构3和配合成像机构4监测的精确度，且成像更加精确；透明支撑架41、两侧动作捕捉器42、上端动作捕捉器43、下端动作捕捉器44通过螺栓连接密封箱11，两侧动作捕捉器42、上端动作捕捉器43、下端动作捕捉器44通过导线连接状态显示器13，利用四个方位进行实时监测，保证器械和手部均能全方位监测到，提高成像效果；升降螺杆61通过螺纹连接升降滑块25，升降螺杆61通过轴承连接螺杆架63，利用螺杆的自锁性以及配合效果，从而快速有效的调节虚拟显示屏21的高度。
实施例2
如图8，本实施例与实施例1的区别在于：
升降调节机构6包括同步带支撑架611、动力轮612、被动轮613、同步带614，两个同步带支撑架611安装在升降滑轨26前端，动力轮612安装在同步带支撑架611上侧，被动轮613安装在同步带支撑架611下侧，动力轮612和被动轮613之间通过同步带614连接，升降滑块25连接在同步带614上，当需要对虚拟显示屏21进行升降时，动力轮612内部电机启动通过同步带614带动升降滑块25升降。
工作原理：将模拟颅骨5放置在密封箱11内部后，先利用两侧动作捕捉器42、上端动作捕捉器43、下端动作捕捉器44进行预成像，将头颅的虚拟成像显示在虚拟显示屏21，且能够根据需要调节病理，医生选择合适大小的反馈手套31并穿戴反馈手套31，此时内衬33和压力传感器34紧贴手部且不会有压迫感，然后握持各类手术器械在模拟颅骨5上进行模拟手术，且在操作的同时，压力传感器34检测手部各类压力和动态数据，配合成像机构4整体对头颅和器械以及手部再次进行监测，利用双工位监测数据重叠将分析后的影响显示在虚拟显示屏21上，保证精确度，而医生根据需求观察模拟颅骨5时，红外摄像头22能够监测到医生视线的移动从而调节高度和角度，同时在不合适的操作时利用振动马达35进行提醒。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型，其特征在于：包括用于实时检测医护人员动态的反馈机构(3)、配合成像机构(4)和用于将动作实时模拟成像的调节机构(2)，调节机构(2)安装在密封机构(1)前端，所述密封机构(1)内部安装有所述配合成像机构(4)，所述密封机构(1)中心位置设置有模拟颅骨(5)，所述模拟颅骨(5)外部设置有所述反馈机构(3)，所述调节机构(2)动力端连接有升降调节机构(6)；
所述密封机构(1)包括密封箱(11)、放置盒(12)、状态显示器(13)，所述密封箱(11)前端下部安装有所述放置盒(12)，所述密封箱(11)上端安装有所述状态显示器(13)；
所述调节机构(2)包括虚拟显示屏(21)、红外摄像头(22)、旋转电机(23)、旋转支架(24)，所述虚拟显示屏(21)两端后部安装有所述旋转电机(23)，所述旋转电机(23)外侧连接有所述旋转支架(24)，所述虚拟显示屏(21)前端上侧和两侧均设置有所述红外摄像头(22)，所述旋转支架(24)后端连接有升降滑块(25)，所述升降滑块(25)连接在升降滑轨(26)上；
所述反馈机构(3)包括反馈手套(31)、数据线(32)、内衬(33)、压力传感器(34)，两个所述反馈手套(31)通过所述数据线(32)连接在所述密封箱(11)上，所述反馈手套(31)内部设置有所述内衬(33)，所述反馈手套(31)和所述内衬(33)之间设置有所述压力传感器(34)，所述反馈手套(31)各指头背面设置有振动马达(35)；
所述配合成像机构(4)包括透明支撑架(41)、两侧动作捕捉器(42)、上端动作捕捉器(43)、下端动作捕捉器(44)，所述透明支撑架(41)安装在所述密封箱(11)内部底面，所述透明支撑架(41)下端设置有所述下端动作捕捉器(44)，所述透明支撑架(41)上端设置有所述模拟颅骨(5)，所述模拟颅骨(5)上侧设置有所述上端动作捕捉器(43)，所述上端动作捕捉器(43)两侧设置有所述两侧动作捕捉器(42)；
所述升降调节机构(6)包括升降螺杆(61)、升降电机(62)、螺杆架(63)，两个所述螺杆架(63)安装在所述升降滑轨(26)前端，所述螺杆架(63)之间设置有所述升降螺杆(61)，所述升降螺杆(61)顶端连接有所述升降电机(62)，所述升降滑块(25)连接在所述升降螺杆(61)上；
所述升降调节机构(6)包括同步带支撑架(611)、动力轮(612)、被动轮(613)、同步带(614)，两个所述同步带支撑架(611)安装在所述升降滑轨(26)前端，所述动力轮(612)安装在所述同步带支撑架(611)上侧，所述被动轮(613)安装在所述同步带支撑架(611)下侧，所述动力轮(612)和所述被动轮(613)之间通过所述同步带(614)连接，所述升降滑块(25)连接在所述同步带(614)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型，其特征在于：所述放置盒(12)滑动连接所述密封箱(11)，所述状态显示器(13)通过螺栓连接所述密封箱(11)，所述密封箱(11)为前端设置有开口的箱体，所述状态显示器(13)内部安装有处理器。
3.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型，其特征在于：所述虚拟显示屏(21)后端通过固定架连接所述旋转电机(23)，所述红外摄像头(22)镶嵌在所述虚拟显示屏(21)前端。
4.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型，其特征在于：所述旋转支架(24)通过螺栓连接所述旋转电机(23)、所述升降滑块(25)，所述升降滑块(25)滑动连接所述升降滑轨(26)。
5.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型，其特征在于：所述内衬(33)内嵌于所述反馈手套(31)，所述压力传感器(34)通过胶粘连接所述压力传感器(34)，所述压力传感器(34)、所述振动马达(35)通过导线连接所述状态显示器(13)。
6.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型，其特征在于：所述反馈手套(31)、所述内衬(33)均为弹性硅胶材质。
7.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型，其特征在于：所述透明支撑架(41)、所述两侧动作捕捉器(42)、所述上端动作捕捉器(43)、所述下端动作捕捉器(44)通过螺栓连接所述密封箱(11)，所述两侧动作捕捉器(42)、所述上端动作捕捉器(43)、所述下端动作捕捉器(44)通过导线连接所述状态显示器(13)。
8.根据权利要求1所述的一种基于VR技术的神经外科手术模拟操作模型，其特征在于：所述升降螺杆(61)通过螺纹连接所述升降滑块(25)，所述升降螺杆(61)通过轴承连接所述螺杆架(63)。
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