CN114387839A - 一种基于力反馈的生物组织仿真方法、装置和电子设备 - Google Patents

一种基于力反馈的生物组织仿真方法、装置和电子设备 Download PDF

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CN114387839A CN202210059639.1A CN202210059639A CN114387839A CN 114387839 A CN114387839 A CN 114387839A CN 202210059639 A CN202210059639 A CN 202210059639A CN 114387839 A CN114387839 A CN 114387839A
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Abstract

本发明涉及计算机技术领域，具体涉及一种基于力反馈的生物组织仿真方法、装置和电子设备，包括：获取力反馈设备对应的虚拟器械数据；基于所述虚拟器械数据实时检测虚拟场景中的碰撞实体对象；当虚拟器械与所述碰撞实体对象发成碰撞时，生成碰撞数据；对所述碰撞数据进行数据处理，得到力反馈数据，将所述力反馈数据实时应用于所述力反馈设备。本发明利用力反馈设备及虚拟现实设备实现模拟手术训练的沉浸式虚拟场景和环境，快速有效的提高医疗工作者和学生的临床经验和技术水平，虚拟现实手术训练不受时间、手术材料和原材料约束，可反复操作。

Description

一种基于力反馈的生物组织仿真方法、装置和电子设备
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种基于力反馈的生物组织仿真方法、装置和电子设备。
背景技术
随着仿真技术和传感器技术的发展，以及临床医生培养周期太长的客观因素，手术仿真教学的需求越来越强烈。传统的医学培训主要是通过口头、视频等教学，或者对尸体和动物做实验的方法进行，而这种方法存在着无法重复使用实验对象、培训周期较长、培训成本较高、并存在伦理道德方面的争议等缺点。
随着虚拟现实技术的发展与有限元技术的结合，使得虚拟手术技术应运而生。现有技术中缺少力反馈模块，因此缺乏虚拟触觉效果，在仿真精度上还有一些提高的空间。同时，力反馈的真实和实施性取决于软体仿真的算法、实时渲染的效率，现有的软体仿真算法在力反馈的真实和实施性方面处理较差，虚拟场景中的图形逼真度也较低。
发明内容
本发明提供了一种基于力反馈的生物组织仿真方法、装置和电子设备，用以实现模拟手术训练的沉浸式虚拟场景和环境，快速有效的提高医疗工作者和学生的临床经验和技术水平。
本说明书实施例提供一种基于力反馈的生物组织仿真方法，包括：
获取力反馈设备对应的虚拟器械数据；
基于所述虚拟器械数据实时检测虚拟场景中的碰撞实体对象；
当虚拟器械与所述碰撞实体对象发成碰撞时，生成碰撞数据；
对所述碰撞数据进行数据处理，得到力反馈数据，将所述力反馈数据实时应用于所述力反馈设备。
优选的，还包括：
利用虚拟视觉渲染对所述碰撞实体对象、所述虚拟器械进行实时渲染和展示。
优选的，所述获取力反馈设备对应的虚拟器械数据，包括：
实时检测用户操作力反馈设备的动作，获取所述力反馈设备对应的虚拟器械数据；
将所述虚拟器械数据广播至所述虚拟场景，并实时更新所述虚拟场景，并实时更新所述虚拟场景。
优选的，所述虚拟器械数据包括：虚拟器械当前位置、方向；
所述基于所述虚拟器械数据实时检测虚拟场景中的碰撞实体对象，包括：
基于所述虚拟器械当前位置、方向实时检测所述虚拟场景中的碰撞实体对象。
优选的，所述虚拟场景包括：初始化空间范围；
所述基于所述虚拟器械当前位置、方向实时检测所述虚拟场景中的碰撞实体对象，包括：
基于所述虚拟器械当前位置、方向实时检测所述初始化空间范围中的碰撞实体对象。
优选的，所述对所述碰撞事件进行数据处理，包括：
调用预设碰撞算法、生物组织变形算法对所述碰撞数据进行力计算。
优选的，所述力反馈数据包括：虚拟场景模拟所述力反馈设备所需要的属性；
所述得到力反馈数据，包括：
获取虚拟场景模拟所述力反馈设备所需要的属性，所述属性包括物体质量、缩放、阻尼。
本说明书实施例还提供一种基于力反馈的生物组织仿真装置，包括：
数据获取模块，用于获取力反馈设备对应的虚拟器械数据；
检测模块，用于基于所述虚拟器械数据实时检测虚拟场景中的碰撞实体对象；
数据生成模块，用于当虚拟器械与所述碰撞实体对象发成碰撞时，生成碰撞数据；
数据处理模块，用于对所述碰撞数据进行数据处理，得到力反馈数据，将所述力反馈数据实时应用于所述力反馈设备。
一种电子设备，其中，该电子设备包括：
处理器以及存储计算机可执行程序的存储器，所述可执行程序在被执行时使所述处理器执行上述任一项所述的方法。
一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被处理器执行时，实现上述任一项所述的方法。
本发明利用力反馈设备及虚拟现实设备实现模拟手术训练的沉浸式虚拟场景和环境，快速有效的提高医疗工作者和学生的临床经验和技术水平，虚拟现实手术训练不受时间、手术材料和原材料约束，可反复操作。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本说明书实施例提供的一种基于力反馈的生物组织仿真方法的原理示意图；
图2为本说明书实施例提供的一种基于力反馈的生物组织仿真装置的结构示意图；
图3为本说明书实施例提供的一种电子设备的结构示意图；
图4为本说明书实施例提供的一种计算机可读介质的原理示意图；
图5为本说明书实施例提供的一种基于力反馈的生物组织仿真流程图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述本发明的示例性实施例。然而，示例性实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为本发明仅限于在此阐述的实施例。相反，提供这些示例性实施例能够使得本发明更加全面和完整，更加便于将发明构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的元件、组件或部分，因而将省略对它们的重复描述。
在符合本发明的技术构思的前提下，在某个特定的实施例中描述的特征、结构、特性或其他细节不排除可以以合适的方式结合在一个或更多其他的实施例中。
在对于具体实施例的描述中，本发明描述的特征、结构、特性或其他细节是为了使本领域的技术人员对实施例进行充分理解。但是，并不排除本领域技术人员可以实践本发明的技术方案而没有特定特征、结构、特性或其他细节的一个或更多。
附图中所示的图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
术语“和/或”或者“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个或多者的所有组合。
参照图1为本说明书实施例提供的一种基于力反馈的生物组织仿真方法的原理示意图，包括：
S101：获取力反馈设备对应的虚拟器械数据；
在本发明较佳的实施例中，实时检测力反馈设备所模拟的虚拟器械位置、方向以及transform属性等，其中transform属性允许我们对虚拟器械进行旋转、缩放、移动或倾斜等。通过上述方式实现用户操作虚拟器械与碰撞实体对象的人机交互，通过虚拟现实和力反馈技术可以让手术操作训练有更接近真实的体验并可带来一定程序的互动体验。
S102：基于所述虚拟器械数据实时检测虚拟场景中的碰撞实体对象；
在本发明较佳的实施例中，实时根据力反馈设备所模拟的虚拟器械位置、方向以及transform属性等，检测虚拟场景中的碰撞实体对象，通过用户对力反馈设备的操作使虚拟器械与检测到的碰撞实体对象产生碰撞，实现对碰撞实体对象的操作，以及模拟现实的手术训练。
S103：当虚拟器械与所述碰撞实体对象发成碰撞时，生成碰撞数据；
在本发明较佳的实施例中，当用户操作力反馈设备，碰撞检测插件会实时检测虚拟器械与碰撞实体对象是否发成碰撞，当虚拟器械与碰撞实体对象发成碰撞时，会给出相应的碰撞反应，从而得到碰撞反应相当相对应的碰撞数据，通过上述方式获取碰撞数据，用于后续实现对用户的力反馈。
S104：对所述碰撞数据进行数据处理，得到力反馈数据，将所述力反馈数据实时应用于所述力反馈设备。
在本发明较佳的实施例中，利用力计算插件对上述获得的碰撞数据进行力计算，得到力反馈数据，然后通过设备接口插件将力反馈数据传送至设备管理器，之后设备管理器将力反馈数据中的数值应用到关联的力反馈设备上，实现对用户的力反馈，通过上述方式快速有效的提高医疗工作者和学生的临床经验和技术水平，虚拟现实手术训练不受时间、手术材料和原材料约束，可反复操作。
进一步地，利用虚拟视觉渲染对所述碰撞实体对象、所述虚拟器械进行实时渲染和展示。
在本发明较佳的实施例中，利用虚拟视觉渲染对碰撞实体对象、力反馈设备模拟的虚拟器械进行实时渲染，并利用虚拟现实设备对渲染的碰撞实体对象、虚拟器械进行观察，便于操作。其中，碰撞实体对象、虚拟器械进行展示时，采用虚拟引擎平台，碰撞实体对象、虚拟器械等采用三维建模的方式创建于虚拟引擎平台。通过上述方式实现模拟手术训练的沉浸式虚拟场景和环境，避免手术训练受时间、手术材料和原材料约束。
进一步地，所述获取力反馈设备对应的虚拟器械数据，包括：
实时检测用户操作力反馈设备的动作，获取所述力反馈设备对应的虚拟器械数据；
将所述虚拟器械数据广播至所述虚拟场景，并实时更新所述虚拟场景，并实时更新所述虚拟场景。
在本发明较佳的实施例中，设备接口插件实时检测用户操作力反馈设备的旋转、倾斜、方位移动等信息，并将这些信息广播至所述虚拟场景进行实时渲染和更新，以实现人机的同步交互，给用户带来更好的手术训练体验，同时利用设备线程更快得对接收的数据进行高频率处理，实现快速渲染的效果。
进一步地，所述虚拟器械数据包括：虚拟器械当前位置、方向；
所述基于所述虚拟器械数据实时检测虚拟场景中的碰撞实体对象，包括：
基于所述虚拟器械当前位置、方向实时检测所述虚拟场景中的碰撞实体对象。
在本发明较佳的实施例中，碰撞线程用当前的位置、方向检查可碰撞实体对象，如果遇到碰撞实体对象，会广播一个委托事件，对碰撞做出反应。通过上述方式实现用户对碰撞实体对象的操作，给用户带来更好的人机交互体验和训练。
进一步地，所述虚拟场景包括：初始化空间范围；
所述基于所述虚拟器械当前位置、方向实时检测所述虚拟场景中的碰撞实体对象，包括：
基于所述虚拟器械当前位置、方向实时检测所述初始化空间范围中的碰撞实体对象。
在本发明较佳的实施例中，初始化空间范围为碰撞检测插件初始预设的，可以根据用户操作对空间范围进行更改或碰撞检测插件根据虚拟器械大小、碰撞实体对象大小、虚拟场景大小等自动调整空间范围，将碰撞检测限制在一定的空间围内，提升检测的准确度。
进一步地，所述对所述碰撞事件进行数据处理，包括：
调用预设碰撞算法、生物组织变形算法对所述碰撞数据进行力计算。
在本发明较佳的实施例中，利用力计算插件调用预设的碰撞算法、生物组织变形算法实现对碰撞数据的处理，提高了力反馈的真实性和实施性，将处理后的数据反馈到设备接口插件，并通过设备管理器将处理后的数据应用到里番库设备上，通过上述方式实现力反馈的真实性和事实性，让用户更好的体验手术训练的真实性，提升训练效果。
进一步地，所述力反馈数据包括：虚拟场景模拟所述力反馈设备所需要的属性；
所述得到力反馈数据，包括：
获取虚拟场景模拟所述力反馈设备所需要的属性，所述属性包括物体质量、缩放、阻尼。
在本发明较佳的实施例中，力计算插件通过接受虚拟场景中虚拟器械与碰撞实体对象之间的碰撞数据，对碰撞数据进行计算得到虚拟场景模拟力反馈设备所需要的属性，将物体质量、缩放、阻尼等属性作用到力反馈上，让用户诊室感受，以及将相应的属性数据、用户操作产生的新的虚拟器械数据实时反馈到虚拟场景，更新虚拟场景。
图2为本说明书实施例提供的一种基于力反馈的生物组织仿真装置的结构示意图，包括：
数据获取模块201，用于获取力反馈设备对应的虚拟器械数据；
检测模块202，用于基于所述虚拟器械数据实时检测虚拟场景中的碰撞实体对象；
数据生成模块203，用于当虚拟器械与所述碰撞实体对象发成碰撞时，生成碰撞数据；
数据处理模块204，用于对所述碰撞数据进行数据处理，得到力反馈数据，将所述力反馈数据实时应用于所述力反馈设备。
进一步地，所述数据获取模块201，包括：
数据获取单元，用于实时检测用户操作力反馈设备的动作，获取所述力反馈设备对应的虚拟器械数据；
广播单元，用于将所述虚拟器械数据广播至所述虚拟场景，并实时更新所述虚拟场景，并实时更新所述虚拟场景。
进一步地，所述数据处理模块204，包括：
调用预设碰撞算法、生物组织变形算法对所述碰撞数据进行力计算。
本发明实施例的装置的功能已经在上述的方法实施例中进行了描述，故本实施例的描述中未详尽之处，可以参见前述实施例中的相关说明，在此不做赘述。
参照图5为本说明书实施例提供的一种基于力反馈的生物组织仿真流程图，力反馈设备501响应用户的操作，生成力反馈设备501相对应的虚拟器械数据，设备接口插件502接收力反馈设备501传送的虚拟器械数据，然后设备接口插件502将传送的数虚拟器械数据等信息自动广播到虚拟场景，同时碰撞检测接口504实时检测虚拟场景中的碰撞事件，生成碰撞数据传送到力计算插件503中，然后力计算插件503调用相应的算法对碰撞数据进行计算，得到力反馈数据，之后通过设备接口插件502将力反馈数据应用到力反馈设备501上。通过上述方式实现力反馈设备及虚拟现实设备结合，模拟手术训练的沉浸式虚拟场景和环境，快速有效的提高医疗工作者和学生的临床经验和技术水平，虚拟现实手术训练不受时间、手术材料和原材料约束，可反复操作。
基于同一发明构思，本说明书实施例还提供一种电子设备。
下面描述本发明的电子设备实施例，该电子设备可以视为对于上述本发明的方法和装置实施例的具体实体实施方式。对于本发明电子设备实施例中描述的细节，应视为对于上述方法或装置实施例的补充；对于在本发明电子设备实施例中未披露的细节，可以参照上述方法或装置实施例来实现。
参照图3为本说明书实施例提供的一种电子设备的结构示意图。下面参照图3来描述根据本发明该实施例的电子设备300。图3显示的电子设备300仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图3所示，电子设备300以通用计算设备的形式表现。电子设备300的组件可以包括但不限于：至少一个处理单元310、至少一个存储单元320、连接不同装置组件(包括存储单元320和处理单元310)的总线330、显示单元340等。
其中，所述存储单元存储有程序代码，所述程序代码可以被所述处理单元310执行，使得所述处理单元310执行本说明书上述处理方法部分中描述的根据本发明各种示例性实施方式的步骤。例如，所述处理单元310可以执行如图1所示的步骤。
所述存储单元320可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元(RAM)3201和/或高速缓存存储单元3202，还可以进一步包括只读存储单元(ROM)3203。
所述存储单元320还可以包括具有一组(至少一个)程序模块3205的程序/实用工具3204，这样的程序模块3205包括但不限于：操作装置、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
总线330可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储单元总线或者存储单元控制器、外围总线、图形加速端口、处理单元或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。
电子设备300也可以与一个或多个外部设备400(例如键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备300交互的设备通信，和/或与使得该电子设备300能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口350进行。并且，电子设备300还可以通过网络适配器360与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。网络适配器360可以通过总线330与电子设备300的其它模块通信。应当明白，尽管图3中未示出，可以结合电子设备300使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID装置、磁带驱动器以及数据备份存储装置等。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，本发明描述的示例性实施例可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本发明实施方式的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个计算机可读的存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行根据本发明的上述方法。当所述计算机程序被一个数据处理设备执行时，使得该计算机可读介质能够实现本发明的上述方法，即：如图1所示的方法。
参照图4为本说明书实施例提供的一种计算机可读介质的原理示意图。
实现图1所示方法的计算机程序可以存储于一个或多个计算机可读介质上。计算机可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的装置、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
所述计算机可读存储介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读存储介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行装置、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。可读存储介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
综上所述，本发明可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)等通用数据处理设备来实现根据本发明实施例中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，本发明不与任何特定计算机、虚拟装置或者电子设备固有相关，各种通用装置也可以实现本发明。以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于力反馈的生物组织仿真方法，其特征在于，包括：
获取力反馈设备对应的虚拟器械数据；
基于所述虚拟器械数据实时检测虚拟场景中的碰撞实体对象；
当虚拟器械与所述碰撞实体对象发成碰撞时，生成碰撞数据；
对所述碰撞数据进行数据处理，得到力反馈数据，将所述力反馈数据实时应用于所述力反馈设备。
2.如权利要求1所述的一种基于力反馈的生物组织仿真方法，其特征在于，还包括：
利用虚拟视觉渲染对所述碰撞实体对象、所述虚拟器械进行实时渲染和展示。
3.如权利要求1所述的一种基于力反馈的生物组织仿真方法，其特征在于，所述获取力反馈设备对应的虚拟器械数据，包括：
实时检测用户操作力反馈设备的动作，获取所述力反馈设备对应的虚拟器械数据；
将所述虚拟器械数据广播至所述虚拟场景，并实时更新所述虚拟场景，并实时更新所述虚拟场景。
4.如权利要求1所述的一种基于力反馈的生物组织仿真方法，其特征在于，所述虚拟器械数据包括：虚拟器械当前位置、方向；
所述基于所述虚拟器械数据实时检测虚拟场景中的碰撞实体对象，包括：
基于所述虚拟器械当前位置、方向实时检测所述虚拟场景中的碰撞实体对象。
5.如权利要求4所述的一种基于力反馈的生物组织仿真方法，其特征在于，所述虚拟场景包括：初始化空间范围；
所述基于所述虚拟器械当前位置、方向实时检测所述虚拟场景中的碰撞实体对象，包括：
基于所述虚拟器械当前位置、方向实时检测所述初始化空间范围中的碰撞实体对象。
6.如权利要求1所述的一种基于力反馈的生物组织仿真方法，其特征在于，所述对所述碰撞事件进行数据处理，包括：
调用预设碰撞算法、生物组织变形算法对所述碰撞数据进行力计算。
7.如权利要求1所述的一种基于力反馈的生物组织仿真方法，其特征在于，所述力反馈数据包括：虚拟场景模拟所述力反馈设备所需要的属性；
所述得到力反馈数据，包括：
获取虚拟场景模拟所述力反馈设备所需要的属性，所述属性包括物体质量、缩放、阻尼。
8.一种基于力反馈的生物组织仿真装置，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取力反馈设备对应的虚拟器械数据；
检测模块，用于基于所述虚拟器械数据实时检测虚拟场景中的碰撞实体对象；
数据生成模块，用于当虚拟器械与所述碰撞实体对象发成碰撞时，生成碰撞数据；
数据处理模块，用于对所述碰撞数据进行数据处理，得到力反馈数据，将所述力反馈数据实时应用于所述力反馈设备。
9.一种电子设备，其中，该电子设备包括：
处理器以及存储计算机可执行指令的存储器，所述可执行指令在被执行时使所述处理器执行根据权利要求1-7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其中，所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序，所述一个或多个程序当被处理器执行时，实现权利要求1-7中任一项所述的方法。
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