CN114627708A - 一种基于混合现实技术的助产模拟系统及其方法 - Google Patents

一种基于混合现实技术的助产模拟系统及其方法 Download PDF

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CN114627708A CN202210245402.2A CN202210245402A CN114627708A CN 114627708 A CN114627708 A CN 114627708A CN 202210245402 A CN202210245402 A CN 202210245402A CN 114627708 A CN114627708 A CN 114627708A
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Abstract

本发明涉及一种基于混合现实技术的助产模拟系统，包括用于显示胎儿的三维模型以及传输数据的模拟助产操作的混合现实设备和孕妇腹部模型其特征在于，还包括：孕妇腹部模型包括孕妇腔体和胎儿模型，胎儿模型位于孕妇腔体内部并基于传感模块定位出胎儿模型的体态特征于建模模块进行几何三维模型建模；其中，几何三维模型响应于使用者的助产操作进行微动和/或体态特征的改变并实时响应于孕妇腹部模型以同步改变胎儿模型，几何三维模型通过混合现实设备显示于使用者眼前。本发明基于混合现实技术进行模拟助产教学，相较于传统的通过理论知识进行的教学方式，更具有实践意义，临床的多次操作使得教学变简单，同时实时的指导使得实践操作能力提升迅速。

Description

一种基于混合现实技术的助产模拟系统及其方法
技术领域
本发明涉及混合现实技术领域，尤其涉及一种基于混合现实技术的助产模拟系统及其方法。
背景技术
助产学是临床护理本科的重要学科，其操作性强，内容抽象，学生短时间内难以理解及掌握。近年来由于学生人数增多、教学医院数量有限及医学伦理的制约，使临床实践教学资源相对紧缺，难以满足学生在实践过程中多次、完整地学习各项临床技能操作。而混合现实(MR，Mixed Reality)技术日益成熟，具有沉浸性、交互性、想象性、多感知性等属性，不受“时”与“空”的限制，有助于加强学生对理论知识的理解与掌握，有助于学生在虚实结合的情境下进行各项助产操作，并使学生在进入临床之前已经基本掌握必备的操作技能，熟悉操作流程和团队协作，有助于OBE为导向的助产人才培养。因此，将混合现实技术应用到助产学实践教学中，是优化助产实践教学的重要举措。
中国专利CN106781798A公开了一种基于VR技术的胎儿四步触诊模拟系统及方法。该系统包括触诊模拟人体装置、控制及传感单元、上位机、VR虚拟头盔；所述触诊模拟人体装置包括触诊平台、设置于触诊平台上的仿孕妇上半身外形的壳体、覆盖于壳体腹部上的人造仿真腹部皮肤；所述壳体腹部内腔中设置有模拟胎儿平台及设置于该模拟胎儿平台上的模拟子宫，该模拟子宫内设置有模拟胎儿，并填充有液体以充当羊水；所述触诊平台上位于壳体腹部部位对应位置设置有舵机，该舵机通过与其输出轴连接的舵机转台带动模拟胎儿平台水平旋转，进而调整模拟子宫内的模拟胎儿头部方向；所述控制及传感单元包括控制器及与该控制器连接的距离传感器、手势传感器。该专利通过高仿真的虚拟四步触诊的模拟，实现了操作模拟人员直观的四步触诊体验、训练，对于医学生及相应护理人员的四步触诊培训，具有极大的应用价值。
该专利的缺陷在于：第一，采用了VR虚拟现实技术。虽然VR虚拟现实技术发展迅速，具有较强的沉浸感，但当前科技技术的局限性决定了VR虚拟现实技术的上限，其有着多感知性和交互性的同时，带来了回报稳定性以及视觉体验的降低。无法保证4K以上分辨率的流畅运行导致给使用者大脑带来严重不适，例如眩晕、呕吐等，VR技术无法成为主流、无法“骗过”使用者大脑以及不适感是否对使用者身体造成伤害势必影响VR技术的发展和应用；第二，该专利主要架构并不是VR技术，而是模拟胎儿，VR价值体现较少，仅用于查看具体操作，若单独使用模拟胎儿同样能够达到其技术效果。第三，填充液体导致该模拟胎儿的维护成本高，无法避免材料的损耗以及自动化给出相应评定标准，实用性较低，成本高，并且其体位只能体位调节范围小，无法全面模拟胎儿相关的所有体位。
中国专利CN106991887A公开了一种四步触诊法教学用仿真胎儿及仿真孕妇，属于医疗教学领域，该仿真胎儿包括胎儿模型，还包括驱动胎儿模型水平转动的水平转动装置和驱动胎儿模型纵向翻转的纵向翻转装置及对胎儿模型进行支撑的支撑装置，胎儿模型通过翻转装置转动地设置在所述支撑装置的顶部，该仿真孕妇，在所述仿真孕妇的腹部下方子宫口处设置有仿真骶骨，胎儿模型通过仿真骶骨设置在模拟孕妇的腹部内，通过水平转动装置来驱动仿真胎儿进行水平旋转，通过纵向翻转装置实与胎儿的俯仰翻转，因此可据实训的具体需要将胎儿转动到任意位置进行四步触诊教学，提高教学的质量。
该专利的缺陷在于，仅通过实体胎儿无法给予使用者实际操作的提升，使用者无法通过混合现实技术进行透视、标准手查看以及自动化评分等多种功能的实现，无法避免材料的损耗，成本高的同时，其内部结构复杂，导致其使用寿命不高，并且无法全面仿真出助产过程中的所有情况，重复使用的时间成本高等多种问题，不具有广泛使用的可能。
中国专利CN106991887A公开了交互式触感反馈的临床触诊及胎心听诊教学系统与方法，包括3D模型处理模块、显示模块、题库管理模块、教学模块、考核模块、控制模块以及系统设置模块；该专利使用方便，教学过程生动形象，使得学生在学习时可以通过观察、触摸等多种方式进行学习，相比于传统的教学方式，学生通过实操可以学到相应的操作技能，大幅度提高四部触诊及胎心听诊的教学效果，而且学生练习后可以进行学习内容的考核，在考核时回答相应知识点、并根据回答的正确与否记录学生成绩并评分，以此提高学生对知识的掌握。
该专利的缺陷在于，其着重点在教学方面，比如题库管理、试卷考核以及成绩管理等等，理论知识较多，实际上不通过该系统依然能够进行以上教学，并没有针对空间想象能力和实践操作能力进行提升。其包括的交互式触感反馈较为简单，仅为简单的位置判断和声音判断并进行选择，对于需要视、听、触觉的同步综合训练的助产模拟系统来说，是不具有较高应用价值的。
本发明基于MR混合现实技术，将虚实结合用于教学中，使视、听、触觉能够综合运用、同步训练，使用者可以触摸到“真实”胎儿的位置，并通过自己的双眼从混合现实头盔上看到虚拟影像在实物的投射，看到相对应情况的胎儿在触诊模型子宫内胎儿的实际姿态，胎心搏动，胎盘位置，脐带及羊水情况。同时，未佩戴头盔的其他人可以通过显示屏看到，由混合现实设备上的第一或第三人称的混合了虚拟影像和实物的投影，除了看到胎儿在母体的位置，胎心、胎盘、羊水和脐带虚拟影像，甚至血流，还能看到操作者的动作。将四部触诊实物模型可视化，视觉和触觉相结合，通过反复练习，不但掌握四部触诊的规范操作，通过可视化的触觉很快做出判断。
此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。
发明内容
针对现有技术之不足，本发明的技术方案是提供一种基于混合现实技术的助产模拟系统，包括用于显示胎儿的三维模型以及传输数据的模拟助产操作的混合现实设备，其特征在于，还包括：孕妇腹部模型，所述孕妇腹部模型包括孕妇腔体和胎儿模型，所述胎儿模型位于所述孕妇腔体内部并基于所述传感模块定位出所述胎儿模型的体态特征于所述建模模块进行几何三维模型建模；其中，本发明基于混合现实技术进行模拟助产教学，相较于传统的通过理论知识进行的教学方式，更具有实践意义，临床的多次操作使得教学变简单，同时实时的指导使得实践操作能力提升迅速。并且胎儿模型能够在孕妇腔体中在转动机构作用下改变其体态特征以符合现实可能出现的多种情况。
根据一种优选的实施方式，所述系统设有传感模块用于对胎儿姿态进行定位，所述传感模块于所述胎儿模型的头部、臀部和背部分别设有定位传感器并将数据传输至所述建模模块基于胎儿模型体态进行建模，所述传感模块于所述转动机构还设有角度传感器，基于所述胎儿模型的水平转动角度以及水平旋转角度确认所述胎儿模型的体态并将数据与定位传感器检测数据进行校对。通过孕妇腹部模型与混合现实技术的结合，场地布置迅速，能够快速开展教学工作，并且由传感模块进行定位，其位置标准，使得虚拟场景与现实一比一还原，增强了教学与实际的连接关系以及教学效果。
根据一种优选的实施方式，所述孕妇腔体内设有用于调整所述胎儿模型体态特征的转动机构，所述转动机构基于调整所述胎儿模型的水平转动角度以及水平旋转角度以调整体态特征。所述转动机构包括轴支撑装置、旋转装置和转动平台，其中，所述轴支撑装置设置于所述胎儿模型内部并从所述胎儿模型的头部贯穿至臀部以支撑所述胎儿模型；所述旋转装置竖向设置并其竖向上端与所述轴支撑装置连接，其连接处位于所述胎儿模型的颈部以使得所述轴支撑装置能够带动所述胎儿模型以自身为轴线进行旋转；所述转动平台连接于所述旋转装置的竖向下端并带动所述旋转装置以所述转动平台中心为转动点进行转动；所述旋转装置和转动平台于所述角度传感器连接以传输所述胎儿模型的水平转动角度以及水平旋转角度。
根据一种优选的实施方式，所述旋转装置与轴支撑装置位于胎儿模型的颈部位置连接，胎儿模型的头部与其余部分分离以使得胎儿模型能够以颈部为转动点在所述旋转装置带动下进行旋转，所述旋转装置包括外壳、蜗轮、蜗杆以及电机，其中外壳与轴支撑装置旋转连接，使得胎儿模型能够以外壳为转动点进行旋转。所述转动平台由伺服电机、伺服驱动器和平台构成，所述伺服驱动器精准控制所述伺服电机跟随所需要的胎儿模型体征控制量进行转动调控，从而实现对平台转动的调控。伺服驱动器发出控制信号前，伺服电机静止不动；伺服驱动器发出控制信号时，伺服电机立即转动；伺服驱动器停止发出控制信号时，伺服电机即刻停转。
根据一种优选的实施方式，所述系统还包括：建模模块，用于对胎儿几何三维模型进行建模；反馈模块，用于使用力反馈装置进行模拟操作，将所述几何三维模型的形变与使用者手部操作相结合，并用于基于预设方案给出反馈；指导模块，用于显示出与胎儿空间位置适配的标准手模型，并显示正确操作步骤，以帮助使用者进行训练。反馈模块和指导模块的配合，在给予了使用者更加真实的模拟助产环境的同时，给出了标准操作方案，临床教学更利于技术操作性的提高。
根据一种优选的实施方式，所述建模模块包括：胎儿模型单元，用于载入胎儿几何三维模型进行建模，所述几何三维模型基于胎儿的不同体征具有若干种模型；物理单元，用于对使用者的双手操作和胎儿的模型提供物理特性，附加所述几何三维模型受外力时发生形变的效果，以及将反馈力输出到所述胎儿模型中。
根据一种优选的实施方式，所述系统还包括投影模块，用于将基于混合现实技术的胎儿模型和胎儿情况投放至扩展屏进行影像观看。未佩戴头盔的其他学生可以通过扩展屏看到由混合现实设备上的第一人称或第三人称的混合了虚拟影像和实物的投影，除了看到胎儿在母体的位置，胎心、胎盘、羊水和脐带虚拟影像，还能看到使用者的动作。通过上述装置将四部触诊模型可视化，视觉和触觉相结合，通过反复练习，不但掌握四部触诊的规范操作，通过可视化的触觉很快做出判断。
根据一种优选的实施方式，基于混合现实技术的助产模拟系统可分为示范、练习、考核三种模式。示范模式里，指导模块显示出与胎儿空间位置适配的标准手模型，并出现正确操作的手部动作进行示范。使用者可通过将自身手部与标准手模型相重合，学习操作过程，减少操作误差，规范动作。练习模式可以隐藏标准手模型，使用者进行自我反复练习。考核模式由教师预设胎儿模型，通过第三视角直观进行考核，也可通过系统设有的评价体系进行打分。评价体系通过比较使用者动作与标准手模型的规范程度给出相应分数。需要注意的是，评价体系根据使用者对模型的触诊部位和按压程度进行分析，得出使用者与标准手模型的动作匹配度，从而衡量使用者动作是否合乎规范。采用教师直观考核和评价体系打分的方式进行成绩评定，并且能够进行复盘反馈，减少了人为误差，直观显示考核结果，考核后通过观看复盘影像能够找出自身不足点，利用教学质量的提高。
本发明还提供一种基于混合现实技术的助产模拟方法，其特征在于，所述方法包括：对胎儿体态特征进行定位；对胎儿几何三维模型进行建模，对几何三维模型进行网格分割、模型替代和反馈模型的处理，建立胎儿模型；基于调整胎儿模型的水平转动角度以及水平旋转角度以调整体态特征。
根据一种优选的实施方式，所述方法还包括：对使用者的双手操作和胎儿的模型附加触碰检测以及反馈力计算；使用力反馈装置进行模拟操作，将胎儿模型的形变与使用者手部操作相结合，并基于预设方案给出反馈；显示出与胎儿空间位置适配的标准手模型，并显示正确操作步骤，以帮助使用者进行训练。
根据一种优选的实施方式，对几何三维模型的处理包括：对胎儿几何三维模型进行网格分割，通过模拟血管和/或模拟人体部件代替分割后的网格节点，将反馈模型加入网格中以此建立胎儿物理模型，所述反馈模型包括弹簧和阻尼器。
根据一种优选的实施方式，对使用者的双手操作和胎儿的模型附加触碰检测以及反馈力计算包括：当使用者的双手运动时，基于触碰检测算法检测是否与机体发生触碰；若未发生触碰，则输出反馈力为零；若发生触碰，记录当前触碰空间位置，使用者双手继续移动，以记录的当前触碰空间位置为基点，以现在的位置为锚点，构造三维矢量，其反馈力计算为：通过基点所受外力减去，基点和锚点位置矢量相减的差与所述反馈模型阻尼器的阻尼系数的乘积，再减去基点和锚点位置矢量相减的差与所述反馈模型弹簧的劲度系数的乘积，最后加上基点和锚点位置矢量相减的差、变形前弹簧的原长和所述反馈模型弹簧的劲度系数三者的乘积，所述外力包括使用者施加力和重力。
根据一种优选的实施方式，所述预设方案包括胎盘情况、脐带情况以及胎心搏动，所述胎盘情况包括位置、早剥、前置胎盘，所述脐带情况包括长度、动静血管、打结，扭转、绕颈。
本发明的有益技术效果：
(1)现有技术中，要求学生掌握正常分娩，难产处理，新生儿复苏等助产操作及常见的产科疾病的护理，理论知识较抽象，临床操作不易实施，缺乏有效的教学工具，帮助学生提高学生空间想象能力和实践操作能力。而本发明基于混合现实技术进行模拟助产教学，相较于传统的通过理论知识进行的教学方式，更具有实践意义，临床的多次操作使得教学变简单，同时实时的指导使得实践操作能力提升迅速；
(2)通过孕妇腹部模型与混合现实技术的结合，场地布置迅速，能够快速开展教学工作，并且由传感模块进行定位，其位置标准，使得虚拟场景与现实一比一还原，增强了教学与实际的连接关系以及教学效果；
(3)通过建模模块进行建模、触碰检测以及反馈计算，通过指导模块给出相应助产的可视化标准操作，在提供更加真实的模拟助产环境的同时，给出标准操作方案，临床教学更利于技术操作性的提高；
(4)通过建模模块将具体的胎儿体征模拟出来，使用者能够通过视觉看到相对应情况的胎儿在触诊模型子宫内胎儿的实际姿态，例如胎心搏动、胎盘位置、脐带及羊水情况。同时，未佩戴头盔的其他学生可以通过扩展屏看到由混合现实设备上的第一人称或第三人称的混合了虚拟影像和实物的投影，除了看到胎儿在母体的位置，胎心、胎盘、羊水和脐带虚拟影像，还能看到使用者的动作。通过上述装置将四部触诊模型可视化，视觉和触觉相结合，通过反复练习，不但掌握四部触诊的规范操作，通过可视化的触觉很快做出判断；
(5)通过将助产模拟系统分为示范、练习、考核三种模式，以适应不同学习程度的学生进行锻炼。示范模式里，指导模块显示出与胎儿空间位置适配的标准手模型，并出现正确操作的手部动作进行示范。使用者可通过将自身手部与标准手模型相重合，学习操作过程，减少操作误差，规范动作。练习模式可以隐藏标准手模型，使用者进行自我反复练习。考核模式由教师预设胎儿模型，通过第三视角直观进行考核，也可通过系统设有的评价体系进行打分；
(6)采用教师直观考核和评价体系打分的方式进行成绩评定，并且能够进行复盘反馈，减少了人为误差，直观显示考核结果，考核后通过观看复盘影像能够找出自身不足点，利用教学质量的提高；
(7)本发明的经济价值高，实施成本低，并且提供了视、听、触觉的综合运用、同步训练。针对学生的空间想象能力和实践操作能力进行提升，能够重复运用的同时，全面仿真出助产过程中的所有情况，并且避免了传统技术对于实体材料的损耗，具有广泛使用的潜力。
附图说明
图1是本发明的一种基于混合现实技术的助产模拟系统的优选实施例的应用示意图；
图2是本发明的转动机构的结构示意图；
图3是本发明的评价体系的流程图。
附图标记列表
1：孕妇腔体；2：胎儿模型；3：轴支撑装置；4：旋转装置；5：转动平台；401：外壳；402：蜗轮；403：蜗杆；404：电机。
具体实施方式
下面结合附图进行详细说明。
实施例1
本申请涉及一种基于混合现实技术的助产模拟系统，包括用于显示胎儿的三维模型以及传输过来的模拟助产操作的混合现实设备，其特征在于，还包括：传感模块，用于对胎儿位置进行定位；建模模块，用于对胎儿几何三维模型进行建模；孕妇腹部模型，所述孕妇腹部模型包括孕妇腔体1和胎儿模型2，所述胎儿模型2位于所述孕妇腔体1内部并基于所述传感模块定位出所述胎儿模型2的体态特征于所述建模模块进行几何三维模型建模；其中，所述孕妇腔体1内设有用于调整所述胎儿模型2体态特征的转动机构，所述转动机构基于调整所述胎儿模型2的水平转动角度以及水平旋转角度以调整体态特征。所述几何三维模型响应于使用者的助产操作进行微动和/或体态特征的改变并实时响应于所述孕妇腹部模型以同步改变所述胎儿模型2，所述几何三维模型通过所述混合现实设备显示于使用者眼前。优选地，孕妇腔体1和胎儿模型2采用仿生肌肤覆盖，并且胎儿模型2仿生皮下填充有弹性材质以符合实际触感。
需要说明的是，本发明中的水平转动角度和水平旋转角度属于胎儿模型2的不同姿态特征。水平转动角度是指：胎儿模型2以竖向下方向为轴线，以孕妇的足部到头部为零角度线，以轴线进行周向旋转时偏移零角度线的角度大小。水平旋转角度是指：以胎儿模型2的足部到头部为轴线，胎儿模型2的面部竖向朝上时为零角度，以轴线进行周向旋转时偏移零角度的角度大小。
根据一种优选的实施方式，传感模块于所述胎儿模型2的头部、臀部和背部分别设有定位传感器并将数据传输至所述建模模块基于胎儿模型2体态进行建模，所述传感模块于所述转动机构还设有角度传感器，基于所述胎儿模型2的水平转动角度以及水平旋转角度确认所述胎儿模型2的体态并将数据与定位传感器检测数据进行校对。
根据一种优选的实施方式，所述转动机构包括轴支撑装置3、旋转装置4和转动平台5，其中，所述轴支撑装置3设置于所述胎儿模型2内部并从所述胎儿模型2的头部贯穿至臀部以支撑所述胎儿模型2；所述旋转装置4竖向设置并其竖向上端与所述轴支撑装置3连接，其连接处位于所述胎儿模型2的颈部以使得所述轴支撑装置3能够带动所述胎儿模型2以自身为轴线进行旋转；所述转动平台5连接于所述旋转装置4的竖向下端并带动所述旋转装置4以所述转动平台5中心为转动点进行转动；所述旋转装置4和转动平台5于所述角度传感器连接以传输所述胎儿模型2的水平转动角度以及水平旋转角度。
根据一种优选的实施方式，轴支撑装置3撑起胎儿模型2的整体框架并提供沿胎儿模型2头部到臀部方向的转动轴，以实现任意角度的旋转。
根据一种优选的实施方式，旋转装置4与轴支撑装置3连接，连接处位于胎儿模型2的颈部，胎儿模型2的头部与其余部分分离以使得胎儿模型2能够以颈部为转动点在旋转装置4带动下进行旋转。旋转装置4包括外壳401、蜗轮402、蜗杆403以及电机404，其中外壳401与轴支撑装置3旋转连接，使得胎儿模型2能够以外壳401为转动点进行旋转。蜗轮402、蜗杆403以及电机404均设置于外壳401内。蜗轮402与轴支撑装置3固定连接，蜗杆403与蜗轮402相互啮合，蜗杆403接在电机404的输出轴上，以蜗杆403作为主动件带动蜗轮402转动。因为蜗杆403齿是连续不间断的螺旋齿，它与蜗轮402齿啮合时是连续不断的，蜗杆403齿没有进入和退出啮合的过程，因此使得胎儿模型2在进行旋转时，噪音小，转动稳定。并且蜗杆403与蜗轮402存在自锁性，蜗杆403只能带动蜗轮402传动，而蜗轮402不能带动蜗杆403转动，即胎儿模型2的自身重力不会导致蜗轮402的旋转，而是会保持在当前体态上，以防止胎儿模型2在使用过程中出现体态的偏移。外壳401向下延伸并固定连接于转动平台5。转动平台5由伺服电机404、伺服驱动器和平台构成。伺服驱动器精准控制伺服电机404跟随所需要的胎儿模型2体征控制量进行转动调控，从而实现对平台转动的调控。伺服驱动器发出控制信号前，伺服电机404静止不动；伺服驱动器发出控制信号时，伺服电机404立即转动；伺服驱动器停止发出控制信号时，伺服电机404即刻停转。伺服电机404将电信号转换为转轴的角位移或角速度并将其发送至角度传感器以确认胎儿水平转动角度，从而确认胎儿模型2体态特征。优选地，旋转装置4可通过角度传感器进行水平旋转角度的确认，其中，角度传感器可采用光栅尺位移传感器进行检测。通过将光栅尺传感器与旋转装置4的蜗轮402或与轴支撑装置3的旋转轴进行同轴连接，从而计算出胎儿模型2的水平旋转角度。角度传感器还可以采用电容式角位移传感器。通过电容式角位移传感器检测固定组件(旋转装置4)与旋转组件(轴支撑装置3)之间的旋转角度，从而实现对胎儿模型2水平旋转角度的检测。旋转装置4和转动平台5均受到混合现实设备或其他计算单元控制，以实现胎儿模型2体态的调节以及数据传输。
上述各装置与定位传感器配合确认并基于该体态数据进行建模，以达到建模出的胎儿虚拟模型与真实胎儿模型2体态一致，从而了解胎位的整体情况并调整胎儿模型2至需要的体态，以符合现实中胎儿体态的多变性。同时上述轴支撑装置3、旋转装置4以及转动平台5的配合效果使得胎儿模型2能够调整包括仰、俯或侧等多种体态的调整，方便教学的展开。
根据一种优选的实施方式，所述建模模块包括：胎儿模型单元，用于对胎儿几何三维模型进行建模，所述几何三维模型基于胎儿的不同体征具有若干种模型；物理单元，用于对使用者的双手操作和胎儿的模型提供物理特性，附加所述几何三维模型受外力时发生形变的效果，以及将反馈力输出到胎儿模型中。优选地，反馈模块起到人机交互作用，如胎动等；与混合现实设备进行联动，通过机械方式调整胎儿的位置，与混合现实虚拟影像同步。反馈模块还能够根据使用者放置胎心多普勒的位置，给出正确的胎心音频。如果放置位置不准确，例如放置到胎盘位置，会出现血管杂音。其余位置包括子宫杂音、腹主动脉杂音、脐带杂音以及肠胃蠕动杂音等。
根据一种优选的实施方式，所述反馈模块可外接反馈设备。所述反馈设备例如手戴式混合现实设备，使用者进行手部立于腹侧、手部丈量子宫等需要触感要求的动作时，反馈设备能够根据建模模块计算出的反馈力大小进行相应的振动或给出力反馈，起到人机交互作用。
根据一种优选的实施方式，所述系统还包括投影模块，用于将基于混合现实技术的胎儿模型2和胎儿情况投放至扩展屏进行影像观看。优选地，可将使用者的第一人称视角和第三人称视角结合的方式投射影像，同时进行学习，一人操作多人学习，保证教学的同质性和高效性。
实施例2
本实施例是对前述实施例的进一步改进，重复的内容不再赘述。
上述实施例通过使用者触碰几何三维模型，通过物理单元和反馈模块的协同作用，从而使得胎儿模型2基于几何三维模型触碰的改变而进行同步的体态特征改变，并且改变后的几何三维模型显示于使用者眼前。
根据一种优选的实施方式，还可以通过使用者手触碰胎儿模型2，胎儿模型2相应于使用者的助产操作，发生体态特征上的改变，并且实时同步于几何三维模型中，使得使用者能够通过对几何三维模型的观察，观测到该改变的发生。即于胎儿模型2内部设置压力传感器以反馈使用者进行助产操作时，力度大小对胎儿模型2带来的体态特征改变，并通过转动机构相应该改变。建模模块通过定位传感器和角度传感器检测到的胎儿模型2水平转动角度以及水平旋转角度确认当前胎儿模型2的体态特征，并实时相应于几何三维模型。
实施例3
本发明还提供一种基于混合现实技术的助产模拟方法，其特征在于，所述方法包括：基于传感模块定位出胎儿模型2的体态特征于建模模块进行几何三维模型建模；其中，所述几何三维模型响应于助产操作进行微动和/或体态特征的改变并实时响应和同步改变胎儿模型2，所述几何三维模型显示于使用者眼前。
根据一种优选的实施方式，所述方法还包括：对胎儿体态特征进行定位；对胎儿几何三维模型进行建模，对几何三维模型进行网格分割、模型替代和反馈模型的处理，建立胎儿模型；基于调整胎儿模型的水平转动角度以及水平旋转角度以调整体态特征；对使用者的双手操作和胎儿的模型附加触碰检测以及反馈力计算；使用力反馈装置进行模拟操作，将几何三维模型的形变与使用者手部操作相结合，并基于预设方案给出反馈；显示出与胎儿空间位置适配的标准手模型，并显示正确操作步骤，以帮助使用者进行训练。
根据一种优选的实施方式，对几何三维模型的处理包括：对胎儿几何三维模型进行网格分割，通过模拟血管和/或模拟人体部件代替分割后的网格节点，将反馈模型加入网格中以此建立胎儿物理模型，所述反馈模型包括弹簧和阻尼器。
根据一种优选的实施方式，对使用者的双手操作和胎儿的模型附加触碰检测以及反馈力计算包括：当使用者的双手运动时，基于触碰检测算法检测是否与机体发生触碰；若未发生触碰，则输出反馈力为零；若发生触碰，记录当前触碰空间位置，使用者双手继续移动，以记录的当前触碰空间位置为基点，以现在的位置为锚点，构造三维矢量，其反馈力计算为：通过基点所受外力减去，基点和锚点位置矢量相减的差与所述反馈模型阻尼器的阻尼系数的乘积，再减去基点和锚点位置矢量相减的差与所述反馈模型弹簧的劲度系数的乘积，最后加上基点和锚点位置矢量相减的差、变形前弹簧的原长和所述反馈模型弹簧的劲度系数三者的乘积，所述外力包括使用者施加力和重力。
根据一种优选的实施方式，所述预设方案包括胎盘情况、脐带情况以及胎心搏动，所述胎盘情况包括位置、早剥、前置胎盘，所述脐带情况包括长度、动静血管、打结，扭转、绕颈。
实施例4
本实施例是对前述实施例的进一步改进，重复的内容不再赘述。
根据一种优选的实施方式，指导模块用于显示出与胎儿空间位置适配的标准手模型，并显示正确操作步骤。所述标准手模型按照胎儿模型的构建方式构建，即通过几何三维模型进行网格分割、模型替代和反馈模型的处理，建立符合常人手部标准的物理模型。根据胎儿模型的体征以及孕妇腹部特征，按照四步触诊标准，操作标准手模型模拟出标准流程，以此作为示范和评判标准。优选地，所述孕妇腹部特征包括有妊娠纹、手术疤痕、腹部脂肪堆积、腹部过小等。
根据一种优选的实施方式，基于混合现实技术的助产模拟系统可分为示范、练习、考核三种模式。示范模式里，指导模块显示出与胎儿空间位置适配的标准手模型，并出现正确操作的手部动作进行示范。使用者可通过将自身手部与标准手模型相重合，学习操作过程，减少操作误差，规范动作。练习模式可以隐藏标准手模型，使用者进行自我反复练习。考核模式由教师预设胎儿模型，通过第三视角直观进行考核，也可通过系统设有的评价体系进行打分。评价体系通过比较使用者动作与标准手模型的规范程度给出相应分数。需要注意的是，评价体系根据使用者对模型的触诊部位和按压程度进行分析，得出使用者与标准手模型的动作匹配度，从而衡量使用者动作是否合乎规范。
评价体系通过获得使用者的手部的空间位置信息，与标准手模型的空间位置信息进行逐帧的实时对比，输出使用者的匹配度。优选地，空间位置信息基于人体的手型皮肤以及骨骼节点，手指节间、手掌和手腕、手指尖与胎儿模型必然形成一个夹角，所有夹角特征组合成向量空间。评价体系通过余弦相似性原理分别对使用者手部和标准手模型进行逐帧的匹配度计算。之所以采用余弦相似性原理，通过向量夹角的余弦值作为衡量使用者手部和标准手模型间的差异大小，而不采用距离度量进行差异评价，是因为距离度量与余弦相似性原理相比，距离度量更加注重于两个向量在距离或长度的差异上，而非在方向的差异。即，当使用者的手部长度和/或大小和/或姿态发生改变时，通过距离度量无法客观衡量使用者手部和标准手模型之间的差异，而会受到使用者手部不同导致距离度量不同的影响。具体地，评价体系的步骤为：
A1：获得使用者的手部的当前空间位置信息，并作为起始点；
A2：分别对使用者手部和标准手模型的空间位置信息获取，并计算形成的夹角的余弦值；
A3：基于起始点位置，使用者手部和标准手模型每过一帧，分别计算使用者手部和标准手模型的形成夹角的余弦值；
A4：计算整个助产过程中使用者手部和标准手模型的全部数据，通过加权求和与均值化分别得出使用者手部和标准手模型的全部数据；
A5：计算使用者手部和标准手模型的全部数据值的差的绝对值；
A6：若步骤A5中得到的绝对值小于等于匹配度阈值，则判断使用者手部和标准手模型的动作匹配吻合，
若步骤A5中得到的绝对值大于匹配度阈值，则判断使用者手部和标准手模型的动作不匹配吻合；
A7：通过线性归一化至匹配度阈值区间得出使用者手部动作偏离标准手模型动作的度量值，以度量值作为最终得分。
根据一种优选的实施方式，评价体系能够基于处理的胎儿模型的不同预设方案给出不同的最终得分。由于使用者进行四部触诊时的难度还受到胎儿模型的预设方案的影响，因此通过直接监测使用者的手部操作无法准确反应出使用者的真实得分。对此，本发明通过使用者操作时各预设方案的差异，对标准流程进行校准，并同时用于使用者最终得分的修正。预设方案包括胎盘情况、脐带情况以及胎心搏动，所述胎盘情况包括位置、早剥、前置胎盘，所述脐带情况包括长度、动静血管、打结，扭转、绕颈。预设方案的不同，操作标准手模型模拟出的标准流程也不同。医务人员在查看操作标准手模型模拟出的标准流程后，能够针对其缺点进行修正，而评价体系记录其修正并应用于其他预设方案。使用者最终得分的修正是根据预设方案的难度进行的。预设方案的胎盘情况、脐带情况以及胎心搏动具有不同的难度系数。例如，预设方案中的胎盘情况为早剥时，胎盘情况难度系数为70；脐带情况为绕颈时，脐带情况难度系数为100；胎心搏动处于正常时，胎心搏动难度系数为50。难度系数/50后，作为系数依次乘入使用者的最终得分中，以得到修正后的最终得分，从而有效消除了预设方案的不同带来的难度的差异。公式为：
修正后的最终得分＝最终得分×(胎盘情况难度系数/50)×(脐带情况难度系数/50)×(胎心搏动难度系数/50)
根据一种优选的实施方式，考核模式还能够进行复盘反馈。考核模式由教师通过第三视角直观进行考核或评价体系打分的方式进行，减少了人为误差，直观显示考核结果。第三视角的影像以及使用者操作双手空间数据留存于储存单元中，能够通过时间轴进行回放。具体地，基于当前时刻至对应时刻或早于当前时刻的任一时刻之间的时间段内的形成的使用者操作双手空间数据的集合，给出相应的使用者双手模型并以可视化的方式输出于混合现实设备或其余投影设备。
在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。
需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于混合现实技术的助产模拟系统，包括用于显示胎儿的三维模型以及传输数据的模拟助产操作的混合现实设备和孕妇腹部模型其特征在于，还包括：
所述孕妇腹部模型包括孕妇腔体和胎儿模型，所述胎儿模型位于所述孕妇腔体内部并基于传感模块定位出所述胎儿模型的体态特征于建模模块进行几何三维模型建模；其中，
所述几何三维模型响应于使用者的助产操作进行微动和/或体态特征的改变并实时响应于所述孕妇腹部模型以同步改变所述胎儿模型，所述几何三维模型通过所述混合现实设备显示于使用者眼前。
2.如权利要求1所述的基于混合现实技术的助产模拟系统，其特征在于，所述系统设有传感模块用于对胎儿姿态进行定位，所述传感模块于所述胎儿模型的头部、臀部和背部分别设有定位传感器并将数据传输至所述建模模块基于胎儿模型体态进行建模，
所述传感模块于所述转动机构还设有角度传感器，基于所述胎儿模型的水平转动角度以及水平旋转角度确认所述胎儿模型的体态并将数据与定位传感器检测数据进行校对。
3.如权利要求2所述的基于混合现实技术的助产模拟系统，其特征在于，所述孕妇腔体内设有用于调整所述胎儿模型体态特征的转动机构，所述转动机构基于调整所述胎儿模型的水平转动角度以及水平旋转角度以调整体态特征，所述转动机构包括轴支撑装置、旋转装置和转动平台，其中，
所述轴支撑装置设置于所述胎儿模型内部并从所述胎儿模型的头部贯穿至臀部以支撑所述胎儿模型，
所述旋转装置竖向设置并其竖向上端与所述轴支撑装置连接，其连接处位于所述胎儿模型的颈部以使得所述轴支撑装置能够带动所述胎儿模型以自身为轴线进行旋转，
所述转动平台连接于所述旋转装置的竖向下端并带动所述旋转装置以所述转动平台中心为转动点进行转动，
所述旋转装置和转动平台于所述角度传感器连接以传输所述胎儿模型的水平转动角度以及水平旋转角度。
4.如权利要求3所述的基于混合现实技术的助产模拟系统，其特征在于，所述旋转装置与轴支撑装置位于胎儿模型的颈部位置连接，胎儿模型的头部与其余部分分离以使得胎儿模型能够以颈部为转动点在所述旋转装置带动下进行旋转，所述旋转装置包括外壳、蜗轮、蜗杆以及电机，其中外壳与轴支撑装置旋转连接，使得胎儿模型能够以外壳为转动点进行旋转，
所述转动平台由伺服电机、伺服驱动器和平台构成，所述伺服驱动器精准控制所述伺服电机跟随所需要的胎儿模型体征控制量进行转动调控，从而实现对平台转动的调控，伺服驱动器发出控制信号前，伺服电机静止不动；伺服驱动器发出控制信号时，伺服电机立即转动；伺服驱动器停止发出控制信号时，伺服电机即刻停转。
5.如权利要求4所述的基于混合现实技术的助产模拟系统，其特征在于，所述系统还包括：
建模模块，用于对胎儿几何三维模型进行建模；
反馈模块，用于使用力反馈装置进行模拟操作，将所述几何三维模型的形变与使用者手部操作相结合，并用于基于预设方案给出反馈；
指导模块，用于显示出与胎儿空间位置适配的标准手模型，并显示正确操作步骤，以帮助使用者进行训练。
6.如权利要求5所述的基于混合现实技术的助产模拟系统，其特征在于，
所述建模模块包括：
胎儿几何模型单元，用于载入胎儿几何三维模型进行建模，所述几何三维模型基于胎儿的不同体征具有若干种模型；
物理单元，用于对使用者的双手操作和胎儿的模型提供物理特性，附加所述几何三维模型受外力时发生形变的效果，以及将反馈力输出到所述胎儿模型混合现实中。
7.如权利要求6所述的基于混合现实技术的助产模拟系统，其特征在于，所述系统还包括投影模块，用于将基于混合现实技术的胎儿模型和胎儿情况投放至扩展屏进行影像观看。
8.一种基于混合现实技术的助产模拟方法，其特征在于，所述方法包括：
基于传感模块定位出胎儿模型的体态特征于建模模块进行几何三维模型建模；其中，
所述几何三维模型响应于助产操作进行微动和/或体态特征的改变并实时响应和同步改变胎儿模型，所述几何三维模型显示于使用者眼前。
9.如权利要求8所述的基于混合现实技术的助产模拟方法，其特征在于，所述方法还包括：
对胎儿体态特征进行定位；
对胎儿几何三维模型进行建模，对几何三维模型进行网格分割、模型替代和反馈模型的处理，建立胎儿模型；
基于调整胎儿模型的水平转动角度以及水平旋转角度以调整体态特征；
对使用者的双手操作和胎儿的模型附加触碰检测以及反馈力计算；
使用力反馈装置进行模拟操作，将胎儿模型的形变与使用者手部操作相结合，并基于预设方案给出反馈；
显示出与胎儿空间位置适配的标准手模型，并显示正确操作步骤，以帮助使用者进行训练。
10.如权利要求9所述的基于混合现实技术的助产模拟方法，其特征在于，对几何三维模型的处理包括：
对胎儿几何三维模型进行网格分割，通过模拟血管和/或模拟人体部件代替分割后的网格节点，将反馈模型加入网格中以此建立胎儿物理模型，
所述反馈模型包括弹簧和阻尼器；
对使用者的双手操作和胎儿的模型附加触碰检测以及反馈力计算包括：
当使用者的双手运动时，基于触碰检测算法检测是否与机体发生触碰，
若未发生触碰，则输出反馈力为零，
若发生触碰，记录当前触碰空间位置，使用者双手继续移动，以记录的当前触碰空间位置为基点，以现在的位置为锚点，构造三维矢量，其反馈力计算为：通过基点所受外力减去，基点和锚点位置矢量相减的差与所述反馈模型阻尼器的阻尼系数的乘积，再减去基点和锚点位置矢量相减的差与所述反馈模型弹簧的劲度系数的乘积，最后加上基点和锚点位置矢量相减的差、变形前弹簧的原长和所述反馈模型弹簧的劲度系数三者的乘积，所述外力包括使用者施加力和重力。
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