CN115424485A - 基于混合现实与空间微定位技术的穿刺活检模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混合现实与空间微定位技术的穿刺活检模拟系统，其特征在于，包括：使用不同的3D打印材料，应用3D打印技术，打印出的3D打印人体目标部位结构模型；运行有穿刺训练模拟软件系统的电脑主机；与电脑主机相连的微空间定位装置；与电脑主机相连的混合现实设备。本发明能持续提升泌尿相关专科专业人员前列腺穿刺活检技能熟练度；提高临床医生前列腺穿刺活检操作精准度，减少前列腺穿刺活检操作穿刺次数；充分发挥VR虚拟仿真技术优势；充分发挥VR虚拟教学实时互动性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于混合现实与空间微定位技术的人体目标部位(例如：前列腺)穿刺训练模拟器，应用了3D打印、混合现实技术、空间微定位技术，属于模拟医学技术领域。
背景技术
模拟医学通过仿真技术和方法，还原和重建医学临床领域的各类器械，实现医学操作训练和辅助医疗等。
目前传统的前列腺穿刺培训存在培训医师在进行穿刺训练时，不能及时确认穿刺针位置与深度是否正确。而且前列腺穿刺训练使用的模拟器(通常为前列腺模型)材质是单一材质，与真实人体存在的多层结构完全不同。前述的诸多缺陷导致了利用前列腺模型进行操作学习的效率较低、成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：原有前列腺穿刺培训所使用的模拟器材质单一、手感不真实；并且由于不能实时看到前列腺三维结构，培训效率；在培训时，对于穿刺针的位置和深度信息缺乏实时的操作反馈。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于混合现实与空间微定位技术的穿刺活检模拟系统，其特征在于，包括：
使用不同的3D打印材料，应用3D打印技术，打印出一个具备相应人体组织结构的3D打印人体目标部位结构模型，该3D打印人体目标部位结构模型能够仿真真实的人体组织触感与软硬程度；
运行有穿刺训练模拟软件系统的电脑主机；
与电脑主机相连的微空间定位装置，包括磁块、微空间定位器和微空间定位传感器，其中：磁块放置于3D打印人体目标部位结构模型预先设定的固定相对位置上，用于接收微空间定位传感器的信号；微空间定位传感器设于穿刺针器械上，微空间定位器通过微空间定位传感器会实时追踪到穿刺针器械的三维空间位置信息，并将该实时三维空间位置信息反馈给穿刺训练模拟软件系统，由穿刺训练模拟软件系统向正在进行操作的医师给出实时的反馈；
与电脑主机相连的混合现实设备，医师在3D打印人体目标部位结构模型上进行穿刺训练时，穿刺训练模拟软件系统运用混合现实技术通过混合现实设备将人体目标部位的各人体组织三维软件模型和/或由微空间定位装置反馈的实时三维空间位置信息叠加在3D打印人体目标部位结构模型上，并向医师实时展示。
优选地，所述3D打印人体目标部位结构模型能够分为N层，N≥2，每一层使用不同的材料进行打印，使得每一层具有不同的软硬程度。
优选地，所述微空间定位器和所述微空间定位传感器采用电磁定位器和电磁传感器。
优选地，所述3D打印人体目标部位结构模型上叠加有所述人体组织三维软件模型或者不叠加所述人体组织三维软件模型。
优选地，所述穿刺训练模拟软件系统具有训练模式与考核模式；
当所述穿刺训练模拟软件系统工作于训练模式时，所述3D打印人体目标部位结构模型上叠加有所述人体组织三维软件模型以及由微空间定位装置反馈的实时三维空间位置信息，医师根据所述穿刺训练模拟软件系统给出的提示，找准穿刺位置与深度，在3D打印人体目标部位结构模型上进行穿刺操作；
当所述穿刺训练模拟软件系统工作于考核模式时：所述3D打印人体目标部位结构模型上不叠加有所述人体组织三维软件模型，医师在无提示的条件下在3D打印人体目标部位结构模型上进行穿刺操作；当医师完成穿刺操作后，所述穿刺训练模拟软件系统再在3D打印人体目标部位结构模型上叠加所述人体组织三维软件模型，并给出上一步的穿刺操作是否正确的判断。
本发明针对泌尿外科医生培训考核实际需求，利用混合现实、空间微定位技术研发前列腺穿刺训练模拟系统，搭建教学、培训和考核一体化平台系统。使用3D打印技术构建出具有多层结构、每层不同软硬程度的人体泌尿系统3D打印模型。解决原有模拟器材质单一、手感不真实的问题。
结合混合现实技术，将虚拟的人体泌尿系统模型，叠加显示到3D打印穿刺模型上。使得操作医师能够在现实环境中，看到叠加在三维物体上的虚拟泌尿系统模型。因此训练医师可以在操作时，根据实际看到的前列腺及周边组织来判断穿刺针位置。解决原本前列腺穿刺模拟器并不能实时看到前列腺三维结构的问题。大幅提高培训的效率。
另外结合空间微定位技术，空间定位追踪穿刺针器械的位置和角度，空间定位设备可以使用电磁定位的方式，定位精度达到毫米级，能实时给到系统穿刺针器械的具体定位和方向，并且在用户操作正确或者错误的时候，实时给出反馈。解决了当前前列腺穿刺培训时，医师进行操作时，穿刺针的位置和深度信息没有实时操作反馈的问题。
因而，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)持续提升泌尿相关专科专业人员前列腺穿刺活检技能熟练度，使得相关临床人员能够精准、迅速、熟练地进行前列腺穿刺活检操作，降低医疗风险，节约医疗资源，提高医生工作效率，减轻医生工作压力；
2)提高临床医生前列腺穿刺活检操作精准度，减少前列腺穿刺活检操作穿刺次数；由常规每次前列腺穿刺活检操作穿刺12-14针，在不降低诊断准确率情况下，降低为每次前列腺穿刺活检操作进行6+X完成穿刺，减少对患者的损伤，和睦医患关系；
3)充分发挥VR虚拟仿真技术优势，教学方式创新，开展智慧医学临床教学，补足传统医学临床教学短板弱项，降低临床医生学习曲线，加速临床医生培养，缓解成熟临床医生紧缺现状；
4)充分发挥VR虚拟教学实时互动性，让临床医生置身于虚实结合的教学方式，提升临床模拟教学互动性，让临床医生进行模拟前列腺穿刺活检时能够感受真实前列腺穿刺活检手感，提升教学效果。
附图说明
图1为本发明的系统示意图；
图2为3D打印人体泌尿系统结构模型的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明综合应用了3D打印技术、混合现实技术以及空间微定位技术。
(1)3D打印技术
3D打印(3DP)即快速成型技术的一种，又称增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印运用于医疗领域常与三维重建技术相结合，通过三维重建的技术对医学影像Dicom数据进行三维数字化重建，然后根据不同人体结构使用不同材料进行打印。常用材料有用于骨骼打印的光敏树脂和用于内脏或血管的类橡胶材料。
(2)混合现实技术
使用混合现实头戴设备，设备能将虚拟的泌尿系统模型叠加显示到3D打印穿刺模型上。使得操作医师能够在现实环境中，看到叠加在三维物体上的虚拟泌尿系统模型。
(4)空间微定位技术
空间微定位：通过空间定位追踪穿刺针器械的位置和角度，空间定位设备可以使用电磁定位的方式，定位精度达到毫米级，能实时给到系统穿刺针器械的具体定位和方向，确保精准操作。
基于上述技术，如图1所示，本发明提供了一基于混合现实与空间微定位的前列腺穿刺活检模拟系统，包括：
3D打印人体泌尿系统结构模型
使用不同的3D打印材料，应用3D打印技术，打印出一个具备有尿道、直肠、前列腺、盆底神经等人体组织结构的人体泌尿系统结构模型。该人体泌尿系统结构模型具有表皮层、骨骼层、肌肉层、动静脉血管层，每一层使用不同的材料进行打印，使得每一层具有不同的软硬程度，从而仿真真实的人体组织触感与软硬程度。
微空间定位装置
本实施例中，微空间定位装置由磁块、电磁定位器和电磁传感器组成。需先在电脑主机内安装电磁定位器对应的软件驱动程序，用于检测整个微空间定位装置是否连接正常、是否能正常运行。将电磁传感器安装在穿刺针器械上，同时，将磁块放置于3D打印人体泌尿系统结构模型预先设定的固定相对位置上，用于接收电磁传感器的信号。训练医师在操作时，电磁定位器通过电磁传感器会实时追踪到穿刺针器械的三维空间位置信息(精度达到亚毫米级)。电磁定位器将穿刺针器械的三维空间位置信息传输给运行于电脑主机上的穿刺训练模拟软件系统，穿刺训练模拟软件系统根据穿刺针器械的三维空间位置信息，向正在进行操作的医师给出实时的反馈。
混合现实(MR)设备
本实施例中，MR设备包括与电脑主机相连的MR眼镜。医师进行操作时，佩戴MR头盔，由穿刺训练模拟软件系统运用MR技术，将人体泌尿系统组织三维软件模型以及通过微空间定位装置获得的实时三维空间位置信息叠加在3D打印人体泌尿系统结构模型上。医师进行操作时，医师通过MR眼镜能够看到叠加有泌尿系统组织位置以及刺针器械的实时位置的3D打印人体泌尿系统结构模型。
本发明提供的穿刺训练模拟软件系统具有训练模式与考试模式。在训练模式下，泌尿外科医师通过MR眼镜能够看到叠加在3D打印人体泌尿系统结构模型上的泌尿系统组织位置以及刺针器械的实时位置，因而医师可以根据穿刺训练模拟软件系统提示，找准穿刺位置与深度。在考试模式下，3D打印人体泌尿系统结构模型上不叠加任何的泌尿系统组织位置以及刺针器械的实时位置，医师需要在无提示下进行穿刺。完成穿刺操作后，穿刺训练模拟软件系统才会将人体泌尿系统组织三维软件模型叠加显示在3D打印人体泌尿系统结构上，并给出刚才针刺操作是否正确的判断，进一步提升泌尿外科医师的操作水平。
Claims (5)
1.一种基于混合现实与空间微定位技术的穿刺活检模拟系统，其特征在于，包括：
使用不同的3D打印材料，应用3D打印技术，打印出一个具备相应人体组织结构的3D打印人体目标部位结构模型，该3D打印人体目标部位结构模型能够仿真真实的人体组织触感与软硬程度；
运行有穿刺训练模拟软件系统的电脑主机；
与电脑主机相连的微空间定位装置，包括磁块、微空间定位器和微空间定位传感器，其中：磁块放置于3D打印人体目标部位结构模型预先设定的固定相对位置上，用于接收微空间定位传感器的信号；微空间定位传感器设于穿刺针器械上，微空间定位器通过微空间定位传感器会实时追踪到穿刺针器械的三维空间位置信息，并将该实时三维空间位置信息反馈给穿刺训练模拟软件系统，由穿刺训练模拟软件系统向正在进行操作的医师给出实时的反馈；
与电脑主机相连的混合现实设备，医师在3D打印人体目标部位结构模型上进行穿刺训练时，穿刺训练模拟软件系统运用混合现实技术通过混合现实设备将人体目标部位的各人体组织三维软件模型和/或由微空间定位装置反馈的实时三维空间位置信息叠加在3D打印人体目标部位结构模型上，并向医师实时展示。
2.如权利要求1所述的一种基于混合现实与空间微定位技术的穿刺活检模拟系统，其特征在于，所述3D打印人体目标部位结构模型能够分为N层，N≥2，每一层使用不同的材料进行打印，使得每一层具有不同的软硬程度。
3.如权利要求1所述的一种基于混合现实与空间微定位技术的穿刺活检模拟系统，其特征在于，所述微空间定位器和所述微空间定位传感器采用电磁定位器和电磁传感器。
4.如权利要求1所述的一种基于混合现实与空间微定位技术的穿刺活检模拟系统，其特征在于，所述3D打印人体目标部位结构模型上叠加有所述人体组织三维软件模型或者不叠加所述人体组织三维软件模型。
5.如权利要求4所述的一种基于混合现实与空间微定位技术的穿刺活检模拟系统，其特征在于，所述穿刺训练模拟软件系统具有训练模式与考核模式；
当所述穿刺训练模拟软件系统工作于训练模式时，所述3D打印人体目标部位结构模型上叠加有所述人体组织三维软件模型以及由微空间定位装置反馈的实时三维空间位置信息，医师根据所述穿刺训练模拟软件系统给出的提示，找准穿刺位置与深度，在3D打印人体目标部位结构模型上进行穿刺操作；
当所述穿刺训练模拟软件系统工作于考核模式时：所述3D打印人体目标部位结构模型上不叠加有所述人体组织三维软件模型，医师在无提示的条件下在3D打印人体目标部位结构模型上进行穿刺操作；当医师完成穿刺操作后，所述穿刺训练模拟软件系统再在3D打印人体目标部位结构模型上叠加所述人体组织三维软件模型，并给出上一步的穿刺操作是否正确的判断。
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|---|---|---|---|---|
| CN117690331A (zh) * | 2024-02-04 | 2024-03-12 | 西南医科大学附属医院 | 一种前列腺穿刺手术训练系统及方法 |
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2022
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|---|---|---|---|---|
| CN117690331A (zh) * | 2024-02-04 | 2024-03-12 | 西南医科大学附属医院 | 一种前列腺穿刺手术训练系统及方法 |
| CN117690331B (zh) * | 2024-02-04 | 2024-05-14 | 西南医科大学附属医院 | 一种前列腺穿刺手术训练系统及方法 |
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