CN115188232A - 一种基于mr-3d打印技术的医学教学综合训练系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于MR‑3D打印技术的医学教学综合训练系统及方法，涉及医学培训技术领域，用以利用虚拟与现实的有机结合，实现现有医疗教学效果的有效提升。本发明系统包括：数据获取模块用于获取人体影像学数据和手术器械图片数据；3D模型建立模块用于利用3Dmax建立人体3D结构模型和手术器械模型；模型显示模块用于通过HoloLens显示设备显示人体3D结构模型和手术器械模型的全息影像；3D打印模型模块用于利用3D打印设备打印出人体假体；手术模拟训练模块用于用户通过HoloLens显示设备的手势交互，操作人体3D结构模型和手术器械模型，以实现手术模拟训练。本发明使得复杂繁琐的人体模型以虚拟形式投射在3D打印的人体假体上，在可操作的同时又不失真实性。

Description

一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练系统及方法
技术领域
本发明涉及医学培训技术领域，具体涉及一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练系统及方法。
背景技术
伴随着现代科技的发展，人类的生活方式与思维习惯逐渐发生着很大的变革。医学教育在推进医学发展，培养医护人才，保卫人类健康的事业中有着不可替代的作用。现代科技发展与“互联网+”理念的迅猛发展对医学教育发起了新的挑战。为适应这种大趋势，研究者们开发了一系列的系统及方法适应这种变革以推进医学发展。其中，虚拟现实及其衍生技术与3D打印技术是至关重要的一部分。
但是，现阶段多数研究者只使用3D打印技术依据患者的影像资料,制造所需的教学模型，或将虚拟现实及其衍生技术应用于临床工作中，因此，对于如何结合MR的虚拟和3D打印投影体实现医学教学培训尚待研究。
发明内容
鉴于以上问题，本发明提出一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练系统及方法，用以利用虚拟与现实的有机结合，实现现有医疗教学效果的有效提升。
根据本发明的一方面，提供一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练系统，该系统包括：
数据获取模块，用于获取人体影像学数据和手术器械图片数据；
3D模型建立模块，用于根据人体影像学数据和手术器械图片数据，利用3Dmax建立人体3D结构模型和手术器械模型；
模型显示模块，用于通过HoloLens显示设备显示人体3D结构模型和手术器械模型的全息影像；
3D打印模型模块，用于根据建立的人体3D结构模型，利用3D打印设备打印出人体假体；
手术模拟训练模块，用于用户通过HoloLens显示设备的手势交互，操作人体3D结构模型和手术器械模型，以实现手术模拟训练。
进一步地，所述人体影像学数据包括超声、PET、CT和核磁共振。
进一步地，所述3D模型建立模块包括人体模型建立子模块和空间坐标系调整子模块；所述人体模型建立子模块用于建立人体3D结构模型，包括人体皮肤、骨骼、肌肉、血管、神经；所述空间坐标系调整子模块用于结合人体混合现实3D结构模型，调整三维虚拟人体空间坐标系。
进一步地，所述系统还包括动画模型生成模块，所述动画模型生成模块用于生成教学动画模型，具体过程包括：通过扫描仪将全部的手术器械进行扫描，并将扫描后的手术器械图片数据进行医疗器械建模；通过数字电桥贴片采集操作者手部动作，根据所述手部动作进行手术操作建模；根据医疗器械建模和手术操作建模获得的模型生成教学动画模型。
进一步地，所述系统还包括语音交互模块，所述语音交互模块用于用户通过语音与系统进行交互，包括通过语音对人体3D结构模型及手术器械模型进行操作控制。
根据本发明的另一方面，提供一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、获取人体影像学数据和手术器械图片数据；
步骤二、根据人体影像学数据和手术器械图片数据，利用3Dmax建立人体3D结构模型和手术器械模型；并通过HoloLens显示设备显示人体3D结构模型和手术器械模型的全息影像；
步骤三、根据建立的人体3D结构模型，利用3D打印设备打印出人体假体；
步骤四、用户通过HoloLens显示设备的手势交互，操作人体3D结构模型和手术器械模型，以实现手术模拟训练。
进一步地，所述人体影像学数据包括超声、PET、CT和核磁共振。
进一步地，步骤二中所述人体3D结构模型包括人体皮肤、骨骼、肌肉、血管、神经；且在利用3Dmax建立人体3D结构模型过程中结合人体混合现实3D结构模型，调整三维虚拟人体空间坐标系。
进一步地，所述方法还包括预先生成教学动画模型，具体过程包括：通过扫描仪将全部的手术器械进行扫描，并将扫描后的手术器械图片数据进行医疗器械建模；通过数字电桥贴片采集操作者手部动作，根据所述手部动作进行手术操作建模；根据医疗器械建模和手术操作建模获得的模型生成教学动画模型。
进一步地，所述方法还包括用户通过语音交互实现对人体3D结构模型及手术器械模型的操作控制。
本发明的有益技术效果是：
本发明使得复杂繁琐的人体模型以虚拟形式投射在3D打印的人体假体上，操作者在操作时可以直接在虚拟的环境中进行操作，其大部分触感来源于3D打印人体假体，所以在可操作的同时又不失真实性，每次操作完成后3D打印人体假体还可以进行重复使用，减少成本。
本发明可以帮助医学生积累手术学经验，完善现有临床医学教学体系，提高学生学习的兴趣，缩短外科学医生培养周期，减少外科医生培养成本，多次演练手术，从而提高手术质量。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。
图1是本发明实施例一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中心脏3D打印模型示例图；
图3是本发明实施例中3D打印结合混合现实教学示意图；
图4是本发明实施例一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，在下文中将结合附图对本发明的示范性实施方式或实施例进行描述。显然，所描述的实施方式或实施例仅仅是本发明一部分的实施方式或实施例，而不是全部的。基于本发明中的实施方式或实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式或实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明提出一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练系统及方法，通过对临床病例进行去隐私化，标准化编辑，结合最新混合现实技术与3D打印技术，改善现有医疗教学环境，创建有助于对医学生和临床青年医生进行专业化和规范化培训的医疗教育系统，并将该套系统命名为“医语”，旨在希望这套系统能够大幅度提升医学教学的水平。“医语”以科学合理的方式进行医学教学，通过预录制，预制作教学课程，保证教学标准化、模块化；通过混合现实技术实现实时指导；通过3D打印技术个性化定制操作对象；并且，可通过系统进行反复训练以增强操作者的使用黏性，达到提高教学趣味性，改善现有教学模式，提高教学质量，推动医学教学改革的最终目的。
“医语”的独特点在于针对现有医疗教学模式中耗材成本过高、临床教师工作繁琐、教学质量不能保证、教学内容与临床实际工作内容不符等问题，提供规范化、模块化教学方式，实时提供“游戏教学式”导航对学生进行指导，完成临床教学任务，提升现有医疗教学系统，引领医学教学走向科技化。使用者通过混合现实设备和3D打印模型实现实时教学、实时训练，使临床教学趣味化、有效化。
MR混合现实的关键词是灵活性，它试图把VR和AR的优点集于一身。从理论上讲，MR混合现实可让用户看到现实世界(类似AR)，但同时又能呈现出可信的虚拟物体(类似VR)。随后，它会把虚拟物体固定在真实空间当中，从而给人以真实感。3D打印是一种制造方法，通过将材料一层层地融合或沉积来制造三维物体。这一技术在医学领域中主要被用于个性化生产与教学，包括：生产定制的夹具和治具，定制的植入物、固定装置，可以对手术所需的时间、病人恢复时间和手术成功产生许多积极的影响；病例数据库包括基于临床患者的真实病例数据，经患者签署知情同意书后，通过去隐私化，保留教学所需数据所搭建的病例数据库。对各种临床常见疾病进行分类整理，文本病历资料，影像学病例资料分类储存，保证教学内容依据临床实际工作内容，实现医—教有机结合。
本发明第一实施例提供一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练系统，如图1所示，该系统包括：
数据获取模块110，用于获取人体影像学数据和手术器械图片数据；
3D模型建立模块120，用于根据人体影像学数据和手术器械图片数据，利用3Dmax建立人体3D结构模型和手术器械模型；
模型显示模块130，用于通过HoloLens显示设备显示人体3D结构模型和手术器械模型的全息影像；
3D打印模型模块140，用于根据建立的人体3D结构模型，利用3D打印设备打印出人体假体；
根据本发明实施例，使用虚拟现实设备还原临床环境，将虚拟的图像投影到用3D打印技术做出的现实假体上，实现1：1重合，可以最大限度地让每一名学生都能拥有脱离真实人体并还原手术完整过程的机会；
手术模拟训练模块150，用于用户通过HoloLens显示设备的手势交互，操作人体3D结构模型和手术器械模型，以实现手术模拟训练。
本实施例中，可选地，所述人体影像学数据包括超声、PET、CT和核磁共振。
本实施例中，可选地，所述3D模型建立模块120包括人体模型建立子模块和空间坐标系调整子模块；所述人体模型建立子模块用于建立人体3D结构模型；所述空间坐标系调整子模块用于结合人体混合现实3D结构模型，调整三维虚拟人体空间坐标系；
根据本发明实施例，对于人体模型的建立，例如按照如下方式建立：可采用多边形曲面建模的方式，获取人体的正面、侧面和背面图导入计算机中进行处理，可在人体正立面照片中标注出特征线，再将侧立面和背立面照片调整到和正立面一样的高度和大小,并使正、侧背面图形中人体的主要特征如眼睛、下领、肩部、臀部处在相同的参考线高度。将处理好的图像分别导入，通过调整各个视图的X、Y、Z轴向的参数，给模型留出一定的空间；并调整图像的值，便于制作模型时的观察。调整好视图中图像的各项属性之后，就可以开始建模了。考虑到人体形状具有轴对称特性，因此在建模时只需要制作模型的一半即可，另一半采用镜像工具进行复制即可。人体3D模型包括人体皮肤、骨骼、肌肉、血管、神经。
本实施例中，可选地，所述系统还包括动画模型生成模块160，所述动画模型生成模块160用于生成教学动画模型，具体过程包括：通过扫描仪将全部的手术器械进行扫描，并将扫描后的手术器械图片数据进行医疗器械建模；通过数字电桥贴片采集操作者手部动作，根据所述手部动作进行手术操作建模；根据医疗器械建模和手术操作建模获得的模型生成教学动画模型；
根据本发明实施例，操作者根据手术类型调取数据库内部存储的相关手术资料，获取模拟手术场景，通过MR技术实现虚拟手术对接、匹配，并将各种组织、器械数据转化为包含各种组织且可相互间分离的3D打印实物。可设置多个数字电桥贴片，用于贴合在操作者身体的各个不同部位，采集操作者动作，并生成模拟动画存储至数据库中。本发明将MR应用到手术视角共享中，录入专家的第一视角手术过程，通过三维重构技术构建发病器官，在使用设备观摩时通过改变“透明度”等设置可以实现近距离观摩复杂手术。
进一步地，对于基础教学，采用“全息动画”和“模型实操”相结合的方法，在提高学习效率的同时也提高学习专注度；对于实践教学，采用“预录制课程”的形式，同时结合“系统反馈”进行针对性指导，不仅减轻了临床医生的负担，还缓解了临床教学的压力。
本实施例中，可选地，所述系统还包括语音交互模块170，所述语音交互模块170用于用户通过语音与系统进行交互，包括通过语音对人体3D结构模型及手术器械模型进行操作控制。
进一步地，以心血管系统教学为例，对本发明的技术效果进行说明。
在现行基础课程教学过程中，绝大多数医学院仍采用教材+PPT/视频模式进行，医学生在学习理论知识的过程中，需要由二维图像想象三维立体结构。这种学习模式使学生在学习一些比较复杂的结构，如心脏具体结构时，往往具有很大难度。如图2所示，在“医语”教学的理论教学模块中，学生可通过3D打印假体，实际观察心脏真实结构，直观进行学习。也可通过佩戴混合现实设备，结合3D打印假体，通过依据虚拟影像中预置的操作流程进行拆分，观察标注的学习记忆点，直接了解心脏具体结构。
现行实践课程教学过程中，各医学院及附属医院普遍采用硅胶假人+视频模式进行教学。医学生和青年临床医生在进行简单操作学习中，应用硅胶假人，但往往由于硅胶假人被反复利用，往往不能获得预期的教学效果。在进行较复杂，需要真实患者进行的操作的学习过程中，由于医学伦理要求，也不能成规模进行有创性操作。对于手术操作，由于无菌及伦理要求，甚至观摩都需要限制人数的情况下，教学效果通常不能得到保障。在“医语”教学的定制化可替换假体模块中，可以在符合患者实际、减少相关硬件成本费用的基础上，很好地保证教学效果。如图3所示，在“医语”教学的实践教学模块中，学生可事先打印出所操作的部位，诸如支架置入的主动脉弓模型；通过佩戴混合现实设备，投影出整个人体结构，与3D打印模型对应位置匹配后，实现简单操作/手术操作的游戏式导航，提供实操机会。即每一步骤均进行实时提示讲解，做到教学与操作统一，避免由于伦理、无菌等一系列问题导致临床“专业壁垒”的形成，使教学效果得到最大化提高，加速医学生及青年临床医生的培养与生长。
本发明第二实施例提供一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练方法，如图4所示，该方法包括以下步骤：
步骤一、获取人体影像学数据和手术器械图片数据；
步骤二、根据人体影像学数据和手术器械图片数据，利用3Dmax建立人体3D结构模型和手术器械模型；并通过HoloLens显示设备显示人体3D结构模型和手术器械模型的全息影像；
步骤三、根据建立的人体3D结构模型，利用3D打印设备打印出人体假体；
步骤四、用户通过HoloLens显示设备的手势交互，操作人体3D结构模型和手术器械模型，以实现手术模拟训练。
本实施例中，可选地，所述人体影像学数据包括超声、PET、CT和核磁共振。
本实施例中，可选地，步骤二中所述人体3D结构模型包括人体皮肤、骨骼、肌肉、血管、神经；且在利用3Dmax建立人体3D结构模型过程中结合人体混合现实3D结构模型，调整三维虚拟人体空间坐标系。
本实施例中，可选地，所述方法还包括预先生成教学动画模型，具体过程包括：通过扫描仪将全部的手术器械进行扫描，并将扫描后的手术器械图片数据进行医疗器械建模；通过数字电桥贴片采集操作者手部动作，根据所述手部动作进行手术操作建模；根据医疗器械建模和手术操作建模获得的模型生成教学动画模型。
本实施例中，可选地，所述方法还包括用户通过语音交互实现对人体3D结构模型及手术器械模型的操作控制。
本发明实施例所述的一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练方法的功能可以由前述一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练系统说明，因此本实施例未详述部分，可参见以上系统实施例，在此不再赘述。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取人体影像学数据和手术器械图片数据；
3D模型建立模块，用于根据人体影像学数据和手术器械图片数据，利用3Dmax建立人体3D结构模型和手术器械模型；
模型显示模块，用于通过HoloLens显示设备显示人体3D结构模型和手术器械模型的全息影像；
3D打印模型模块，用于根据建立的人体3D结构模型，利用3D打印设备打印出人体假体；
手术模拟训练模块，用于用户通过HoloLens显示设备的手势交互，操作人体3D结构模型和手术器械模型，以实现手术模拟训练。
2.根据权利要求1所述的一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练系统，其特征在于，所述人体影像学数据包括超声、PET、CT和核磁共振。
3.根据权利要求2所述的一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练系统，其特征在于，所述3D模型建立模块包括人体模型建立子模块和空间坐标系调整子模块；所述人体模型建立子模块用于建立人体3D结构模型，包括人体皮肤、骨骼、肌肉、血管、神经；所述空间坐标系调整子模块用于结合人体混合现实3D结构模型，调整三维虚拟人体空间坐标系。
4.根据权利要求3所述的一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练系统，其特征在于，所述系统还包括动画模型生成模块，所述动画模型生成模块用于生成教学动画模型，具体过程包括：通过扫描仪将全部的手术器械进行扫描，并将扫描后的手术器械图片数据进行医疗器械建模；通过数字电桥贴片采集操作者手部动作，根据所述手部动作进行手术操作建模；根据医疗器械建模和手术操作建模获得的模型生成教学动画模型。
5.根据权利要求4所述的一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练系统，其特征在于，所述系统还包括语音交互模块，所述语音交互模块用于用户通过语音与系统进行交互，包括通过语音对人体3D结构模型及手术器械模型进行操作控制。
6.一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取人体影像学数据和手术器械图片数据；
步骤二、根据人体影像学数据和手术器械图片数据，利用3Dmax建立人体3D结构模型和手术器械模型；并通过HoloLens显示设备显示人体3D结构模型和手术器械模型的全息影像；
步骤三、根据建立的人体3D结构模型，利用3D打印设备打印出人体假体；
步骤四、用户通过HoloLens显示设备的手势交互，操作人体3D结构模型和手术器械模型，以实现手术模拟训练。
7.根据权利要求6所述的一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练方法，其特征在于，所述人体影像学数据包括超声、PET、CT和核磁共振。
8.根据权利要求7所述的一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练方法，其特征在于，步骤二中所述人体3D结构模型包括人体皮肤、骨骼、肌肉、血管、神经；且在利用3Dmax建立人体3D结构模型过程中结合人体混合现实3D结构模型，调整三维虚拟人体空间坐标系。
9.根据权利要求8所述的一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练方法，其特征在于，所述方法还包括预先生成教学视频，具体过程包括：通过扫描仪将全部的手术器械进行扫描，并将扫描后的手术器械图片数据进行医疗器械建模；通过数字电桥贴片采集操作者手部动作，根据所述手部动作进行手术操作建模；根据医疗器械建模和手术操作建模获得的模型生成教学动画模型。
10.根据权利要求9所述的一种基于MR-3D打印技术的医学教学综合训练方法，其特征在于，所述方法还包括用户通过语音交互实现对人体3D结构模型及手术器械模型的操作控制。
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