CN114973820A - 关节镜模拟训练系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及虚拟手术训练设备，具体涉及关节镜模拟训练系统，包括箱体、安装台、模拟腿部、计算机系统、力反馈操作输入设备和虚拟手术显示屏，所述安装台固定安装在所述箱体的顶部，所述箱体底部设有外支撑式滚轮系统，所述模拟腿部的底部设有回转座，所述模拟腿部通过回转座转动安装在所述安装台的中部，所述力反馈操作输入设备设在所述模拟腿部的左右两侧。本发明采用头盔合成显示器，不但能在不影响前方虚拟手术显示屏正常观看的前提下实现低头时触发虚拟图像合成功能实现增强现实效果，而且利用模拟腿部的直接接触操作实现了与虚拟环境的信息交互仿真，具有高沉浸性。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟手术训练设备，具体涉及关节镜模拟训练系统。
背景技术
关节镜是一种能够观察患者关节内部结构的棒状光学设备，其主要用于诊断和治疗各种关节疾患，将关节镜的细管插入关节内部，其内部结构就会马上在监视器中显示出来，由于关节镜是一种微创手术，并且关节镜的手术操作空间较为狭窄，因此这就对医生的手术操作技能提出了很高的要求。现在通常医学生在进行关节镜训练之前通常是通过仿真人体模型进行多次操作训练而形成肌肉记忆，以便减少医疗事故发生的可能性，并且对于越来越复杂的训练要求，一般的模型也很难满足训练需求。随着虚拟现实技术以及增强现实技术的发展，使其在医疗手术训练领域得到了很高的重视，现在也出现了一些关节镜手术训练系统，但通常单人操作不便，真实性不高，难以达到预期的训练效果。现在急需一种仿真度高且具有远程干预及自我评估的关节镜模拟训练系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供关节镜模拟训练系统。
本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的，本发明公开了关节镜模拟训练系统，包括箱体、安装台、模拟腿部、计算机系统、力反馈操作输入设备和虚拟手术显示屏，所述安装台固定安装在所述箱体的顶部，所述箱体底部设有外支撑式滚轮系统，所述模拟腿部的底部设有回转座，所述模拟腿部通过回转座转动安装在所述安装台的中部，所述力反馈操作输入设备设在所述模拟腿部的左右两侧，所述模拟腿部设有腿部运动感知及控制模块，所述腿部运动感知及控制模块用于通过感知和控制所述模拟腿部的运动姿态而实现操作者与虚拟患者的互动，所述虚拟手术显示屏固定安装在所述箱体的后侧上部，所述计算机系统集成安装在所述箱体内部，所述计算机系统包括数据处理中心和存储计算控制中心，所述安装台上部还配备有头盔穿戴设备，所述头盔穿戴设备包括头盔合成显示器和姿态仪开关装置，所述头盔合成显示器用于将存储计算控制中心的实时虚拟手术部位外部图像进行投射，所述姿态仪开关装置用于通过头部姿态信号来触发启动所述头盔合成显示器的图像叠加合成动作，所述存储计算控制中心包括知识学习和查询功能单元、手术方案建立输入功能单元、虚拟手术预处理交互功能单元和虚拟手术操作交互功能单元，所述知识学习和查询功能单元包括手术演示学习模块和解剖结构学习模块，所述手术方案建立输入功能单元用于考核操作者如何根据CT或MRI判定游离体在关节腔内的具体位置从而确定穿孔部位，虚拟手术预处理交互功能单元用于通过语音和虚拟腿部直接接触实现操作者与虚拟场景的交互过程，所述虚拟手术操作交互功能单元用于通过力反馈操作输入设备实现沉浸式交互模拟训练。
进一步，所述模拟腿部包括大腿部和小腿部，所述大腿部的后端连接有第一偏转组件，所述大腿部通过第一偏转组件实现相对于回转座的竖向偏转抬升，所述第一偏转组件包括重力自保持结构，所述小腿部的后端连接有第二偏转组件，所述小腿部通过第二偏转组件与大腿部的前端转动连接。
进一步，所述第一偏转组件的底端串联安装有左右摆动组件，所述左右摆动组件用于实现所述模拟腿部整体的左右摆动，所述第二偏转组件包括重力自保持结构。
进一步，所述安装台上设有语音交互设备，所述语音交互设备包括语音识别交互模块，所述数据处理中心通过语音识别交互模块同时实现训练过程中的虚拟对话和语音命令控制过程。
进一步，所述力反馈操作输入设备均可控制输入四个自由度的运动参数，所述模拟腿部的左右两个力反馈操作输入设备分别用于模拟关节镜及其相应手术操作器材。
进一步，所述数据处理中心连接有虚拟手术病例数据库选择单元和手术器械选取输入模块，所述虚拟手术病例数据库选择单元内存储的模型由可视人体彩色断层图像经过组织分割、三维表面重建、四面体剖分建立，所述手术器械选取输入模块包括关节镜单元、穿刺器械单元、探针单元、推刀单元、钩刀单元、持物钳单元、手术剪刀单元、篮钳单元和髓核钳单元。
进一步，所述存储计算控制中心包括碰撞接触检测考核模块，所述碰撞接触检测考核模块用于对所述虚拟手术操作交互功能单元工作过程中的骨骼、韧带和半月板等组织器官进行碰撞次数累计考核。
进一步，所述存储计算控制中心留有远程干预教学指导通信接口模块，系统远程用户可通过所述远程干预教学指导通信接口模块实现远程实时干预训练和教学。
进一步，所述虚拟手术显示屏包括显示运行画面子程序系统，所述显示运行画面子程序系统包括虚拟手术室场景分屏和模拟腔镜视野分屏，所述虚拟手术室场景分屏用于实现虚拟患者在手术室中的整体虚拟画面，所述模拟腔镜视野分屏用于显示关节镜内的腔镜手术视野画面。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明采用头盔合成显示器，不但能在不影响前方虚拟手术显示屏正常观看的前提下实现低头时触发虚拟图像合成功能实现增强现实效果，而且利用模拟腿部的直接接触操作实现了与虚拟环境的信息交互仿真，具有高沉浸性；
(2)本发明所采用的多个功能单元能将模拟训练过程有机划分为知识学习和查询、手术方案建立输入、虚拟手术预处理和虚拟手术操作等多个实际步骤，实现了教学训练环节的有效衔接，不会产生环节遗漏等问题；
(3)本发明所采用远程干预教学指导能够实现远程用户的直接干预指导训练，提高了整体的训练效果，达到了信息整合的目的；并且自身所具备的碰撞接触检测考核功能也能在脱离外部干预的情况下，进行自我检测和评价，具备了自主性。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是本发明内部软件系统的工作原理图；
具体实施方式
如图1-2所示，本发明公开了关节镜模拟训练系统，包括箱体1、安装台2、模拟腿部3、计算机系统、力反馈操作输入设备4和虚拟手术显示屏5，所述安装台2固定安装在所述箱体1的顶部，所述安装台2上设有语音交互设备，所述语音交互设备包括语音识别交互模块，所述数据处理中心通过语音识别交互模块同时实现训练过程中的虚拟对话和语音命令控制过程，所述箱体1底部设有外支撑式滚轮系统1-1，所述模拟腿部3的底部设有回转座3-1，所述模拟腿部3包括大腿部3-2和小腿部3-3，所述大腿部3-2的后端连接有第一偏转组件，所述大腿部3-2通过第一偏转组件实现相对于回转座的竖向偏转抬升，所述第一偏转组件包括重力自保持结构，所述小腿部3-3的后端连接有第二偏转组件，所述小腿部3-3通过第二偏转组件与大腿部3-2的前端转动连接。上述的第一偏转组件的底端串联安装有左右摆动组件，所述左右摆动组件用于实现所述模拟腿部3整体的左右摆动，所述第二偏转组件包括重力自保持结构，所述模拟腿部3通过回转座转动安装在所述安装台2的中部，所述力反馈操作输入设备4设在所述模拟腿部3的左右两侧，力反馈操作输入设备4均可控制输入四个自由度的运动参数，所述模拟腿部3的左右两个力反馈操作输入设备4分别用于模拟关节镜及其相应手术操作器材，所述模拟腿部3设有腿部运动感知及控制模块3-4，所述腿部运动感知及控制模块3-4用于通过感知和控制所述模拟腿部3的运动姿态而实现操作者与虚拟患者的互动。为了提高系统的关节训练类型的可切换性，所述安装台2上部还可配置可拆换组件，通过该可拆换组件，设备使用人员能够在初始配置时，将上述模拟腿部3更换为模拟肩部或其他模拟关节类组件，从而使本系统具有更广泛的关节类模拟手术训练适用性，所述虚拟手术显示屏5固定安装在所述箱体1的后侧上部，所述计算机系统集成安装在所述箱体1内部。
所述计算机系统包括数据处理中心和存储计算控制中心，所述数据处理中心连接有虚拟手术病例数据库选择单元和手术器械选取输入模块，所述虚拟手术病例数据库选择单元内存储的模型由可视人体彩色断层图像经过组织分割、三维表面重建、四面体剖分建立，所述手术器械选取输入模块包括关节镜单元、穿刺器械单元、探针单元、推刀单元、钩刀单元、持物钳单元、手术剪刀单元、篮钳单元和髓核钳单元。
为了增强沉浸效果，安装台2上部还配备有头盔穿戴设备。所述头盔穿戴设备包括头盔合成显示器和姿态仪开关装置，所述头盔合成显示器用于将存储计算控制中心的实时虚拟手术部位外部图像进行投射，所述姿态仪开关装置用于通过头部姿态信号来触发启动所述头盔合成显示器的图像叠加合成动作，所述存储计算控制中心包括知识学习和查询功能单元、手术方案建立输入功能单元、虚拟手术预处理交互功能单元和虚拟手术操作交互功能单元，所述知识学习和查询功能单元包括手术演示学习模块和解剖结构学习模块，所述手术方案建立输入功能单元用于考核操作者如何根据CT或MRI判定游离体在关节腔内的具体位置从而确定穿孔部位，虚拟手术预处理交互功能单元用于通过语音和虚拟腿部直接接触实现操作者与虚拟场景的交互过程，所述虚拟手术操作交互功能单元用于通过力反馈操作输入设备4实现沉浸式交互模拟训练。具体地，为了增强训练教学考核效果，在计算机系统内部植入考评功能，通过数字化手段对操作者的操作过程进行考评，其中存储计算控制中心包括碰撞接触检测考核模块，所述碰撞接触检测考核模块用于对所述虚拟手术操作交互功能单元工作过程中的骨骼、韧带和半月板等组织器官进行碰撞次数累计考核。所述存储计算控制中心留有远程干预教学指导通信接口模块，系统远程用户可通过所述远程干预教学指导通信接口模块实现远程实时干预训练和教学。所述虚拟手术显示屏5包括显示运行画面子程序系统，所述显示运行画面子程序系统包括虚拟手术室场景分屏和模拟腔镜视野分屏，所述虚拟手术室场景分屏用于实现虚拟患者在手术室中的整体虚拟画面，所述模拟腔镜视野分屏用于显示关节镜内的腔镜手术视野画面。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.关节镜模拟训练系统，包括箱体、安装台、模拟腿部、计算机系统、力反馈操作输入设备和虚拟手术显示屏，所述安装台固定安装在所述箱体的顶部，所述箱体底部设有外支撑式滚轮系统，其特征在于：所述模拟腿部的底部设有回转座，所述模拟腿部通过回转座转动安装在所述安装台的中部，所述力反馈操作输入设备设在所述模拟腿部的左右两侧，所述模拟腿部设有腿部运动感知及控制模块，所述腿部运动感知及控制模块用于通过感知和控制所述模拟腿部的运动姿态而实现操作者与虚拟患者的互动，所述虚拟手术显示屏固定安装在所述箱体的后侧上部，所述计算机系统集成安装在所述箱体内部，所述计算机系统包括数据处理中心和存储计算控制中心，所述安装台上部还配备有头盔穿戴设备，所述头盔穿戴设备包括头盔合成显示器和姿态仪开关装置，所述头盔合成显示器用于将存储计算控制中心的实时虚拟手术部位外部图像进行投射，所述姿态仪开关装置用于通过头部姿态信号来触发启动所述头盔合成显示器的图像叠加合成动作，所述存储计算控制中心包括知识学习和查询功能单元、手术方案建立输入功能单元、虚拟手术预处理交互功能单元和虚拟手术操作交互功能单元，所述知识学习和查询功能单元包括手术演示学习模块和解剖结构学习模块，所述手术方案建立输入功能单元用于考核操作者如何根据CT或MRI判定游离体在关节腔内的具体位置从而确定穿孔部位，虚拟手术预处理交互功能单元用于通过语音和虚拟腿部直接接触实现操作者与虚拟场景的交互过程，所述虚拟手术操作交互功能单元用于通过力反馈操作输入设备实现沉浸式交互模拟训练。
2.根据权利要求1所述的关节镜模拟训练系统，其特征在于：所述模拟腿部包括大腿部和小腿部，所述大腿部的后端连接有第一偏转组件，所述大腿部通过第一偏转组件实现相对于回转座的竖向偏转抬升，所述第一偏转组件包括重力自保持结构，所述小腿部的后端连接有第二偏转组件，所述小腿部通过第二偏转组件与大腿部的前端转动连接。
3.根据权利要求2所述的关节镜模拟训练系统，其特征在于：所述第一偏转组件的底端串联安装有左右摆动组件，所述左右摆动组件用于实现所述模拟腿部整体的左右摆动，所述第二偏转组件包括重力自保持结构。
4.根据权利要求1所述的关节镜模拟训练系统，其特征在于：所述安装台上设有语音交互设备，所述语音交互设备包括语音识别交互模块，所述数据处理中心通过语音识别交互模块同时实现训练过程中的虚拟对话和语音命令控制过程。
5.根据权利要求1所述的关节镜模拟训练系统，其特征在于：所述力反馈操作输入设备均可控制输入四个自由度的运动参数，所述模拟腿部的左右两个力反馈操作输入设备分别用于模拟关节镜及其相应手术操作器材。
6.根据权利要求1所述的关节镜模拟训练系统，其特征在于：所述数据处理中心连接有虚拟手术病例数据库选择单元和手术器械选取输入模块，所述虚拟手术病例数据库选择单元内存储的模型由可视人体彩色断层图像经过组织分割、三维表面重建、四面体剖分建立，所述手术器械选取输入模块包括关节镜单元、穿刺器械单元、探针单元、推刀单元、钩刀单元、持物钳单元、手术剪刀单元、篮钳单元和髓核钳单元。
7.根据权利要求1所述的关节镜模拟训练系统，其特征在于：所述存储计算控制中心包括碰撞接触检测考核模块，所述碰撞接触检测考核模块用于对所述虚拟手术操作交互功能单元工作过程中的骨骼、韧带和半月板等组织器官进行碰撞次数累计考核。
8.根据权利要求7所述的关节镜模拟训练系统，其特征在于：所述存储计算控制中心留有远程干预教学指导通信接口模块，系统远程用户可通过所述远程干预教学指导通信接口模块实现远程实时干预训练和教学。
9.根据权利要求1所述的关节镜模拟训练系统，其特征在于：所述虚拟手术显示屏包括显示运行画面子程序系统，所述显示运行画面子程序系统包括虚拟手术室场景分屏和模拟腔镜视野分屏，所述虚拟手术室场景分屏用于实现虚拟患者在手术室中的整体虚拟画面，所述模拟腔镜视野分屏用于显示关节镜内的腔镜手术视野画面。
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