CN117131712A - 一种虚实结合的应急救护模拟系统和方法 - Google Patents

一种虚实结合的应急救护模拟系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种虚实结合的应急救护模拟系统和方法，属于应急救护模拟技术领域，构建应急救护物理模型在映射空间中的应急救护数字孪生模型；建立虚拟应急救护孪生模型受的合力及展现的弹性形变状态；对应急救护物理模型上的模拟操作状态进行实时数据处理，计算反射力和反弹夹角；在虚拟应急救护孪生模型上输出并显示所述反射力和反弹夹角，使操作者参考所述反射力和反弹夹角纠正模拟操作动作的力度和方向，客观地分析受训者的应急救护技能,大大提高应急救护训练效率。

Description

一种虚实结合的应急救护模拟系统和方法
技术领域
本发明属于应急救护模拟技术领域，具体涉及一种虚实结合的应急救护模拟系统和方法。
背景技术
应急救护是一项利民利国的大事，是应对事故灾难、保护生命健康的有效手段，公众的应急救护能力培养是解决目前救护安全形势的手段，但目前，我国仅针对医生、医学院在校学生提供比较专业的系统的应急救护培养和培训，对于公众只有在驾照考试等考核时才给予一些常识性的培训，这些培训也仅仅是对学员进行理论性的指导，学员很难有机会进行实际上手操作，且培训时间短，达不到使公众掌握应急救护知识，具有应急救护能力的要求。随着医疗事业的不断发展,医学教育与培训的规模日益扩大,这给传统的应急救护培训模式提出了挑战,如何使医生获得更真实、高效的救护训练,是医学界、工程界、也是全社会急需解决迫切问题。医生需要经过反复的临床实践才能成为一个技术过硬的医生，传统上,一个年轻医师需要经由应急救护观摩、用模型进行训练、用动物训练或在尸体上开展应急救护训练,在具备一定经验后,逐步开展应急救护。而传统训练方式存在效率低、安全性差等诸多弊端。
基于虚拟现实技术的模拟训练系统应运而生,它通过构建虚拟应急救护环境仿真医生进行各种应急救护操作时的视觉和力触觉感受,是一种全新的模拟和训练方式,也是数字医学领域近几年的研究热点。通过对应急救护训练过程的记录、回放、反馈、分析与评价等操作,可以客观地分析受训者的应急救护技能,为提高应急救护技能提供客观数据,大大提高应急救护训练效率。利用虚拟现实技术、力反馈技术和维立体视觉技术,构建一个集视觉、触觉、听觉等感官反馈为一体,供训练者模拟和训练过程的模拟技术。和传统的培训方式相比,虚拟培训系统可以缩短培训周期,减少培训成本,提高培训效率。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种虚实结合的应急救护模拟方法，包括如下步骤：
S1、构建应急救护物理模型在映射空间中的应急救护数字孪生模型；
S2、建立虚拟应急救护孪生模型受的合力及展现的弹性形变状态；
S3、对应急救护物理模型上的模拟操作状态进行实时数据处理，计算反射力和反弹夹角；
S4、在虚拟应急救护孪生模型上输出并显示所述反射力和反弹夹角，使操作者参考所述反射力和反弹夹角纠正模拟操作动作的力度和方向。
进一步地，所述步骤S2包括：
构建对应于应急救护物理模型操作点的中心点，计算每个中心点所受的合力；
计算每个操作点对应的中心点周围软组织的弹性形变。
进一步地，所述步骤S3中，在软组织形变过程中，形变中心点的位置发生变化，位置变化前的形变中心点为P1，位置变化后的形变中心点与周边邻点P0连线与中心点移动方向形成反弹夹角α：
；
对于反射力的计算公式如下：
；
；
其中: 为软组织反射力方向弹性系数；KS为软组织自然状态下的弹性系数；为软组织形变量， />为形变中心点在法线方向上的移动距离。
进一步地，各中心点所受弹力Fs为:
；
其中：Ks为软组织自然状态下的弹性系数；为软组织形变量；
虚拟应急救护孪生模型的软组织自然状态下的弹性系数Ks按如下公式计算：
；
其中，D为软组织形变的面积，E为储能模量， 为软组织自然状态下的弹性形变量。
进一步地，所述步骤S1中，获取应急救护物理模型的扫描数据，基于所述扫描数据生成应急救护数字孪生模型的框架模型，在所述框架模型中添加血流模型与软组织模型，建立血流模型与软组织模型之间的约束关系。
进一步地，基于模型参数以及位移值构建血流模型与软组织模型之间的约束关系；
；
其中，f为血流模型与软组织模型之间的约束力；γ为约束因子；k为血管模型对应的模型参数；δ为血流模型与软组织模型之间的位移值；r为血流在轴向的单位时间内的位移向量，e为自然常数。
本发明还提出了一种虚实结合的应急救护模拟系统，用于实现虚实结合的应急救护模拟方法，包括：应急救护物理模型和应急救护虚拟操作系统；
所述应急救护虚拟操作系统包括：应急救护数字孪生模型、模拟处理器、数据传感和计算单元和数据输出单元；
所述模拟处理器建立虚拟应急救护孪生模型受的合力及展现的弹性形变状态；
所述数据传感和计算单元对应急救护物理模型上的模拟操作状态进行实时数据处理，计算反射力和反弹夹角；
所述数据输出单元在虚拟应急救护孪生模型上输出并显示所述反射力和反弹夹角，使操作者参考所述反射力和反弹夹角纠正模拟操作动作的力度和方向。
进一步地，所述应急救护数字孪生模型包括：框架模型、血流模型与软组织模型；基于扫描数据生成应急救护数字孪生模型的框架模型，所述模拟处理器在框架模型中添加血流模型与软组织模型，并建立血流模型与软组织模型之间的约束关系。
相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：
构建应急救护物理模型在映射空间中的应急救护数字孪生模型；建立虚拟应急救护孪生模型受的合力及展现的弹性形变状态；对应急救护物理模型上的模拟操作状态进行实时数据处理，计算反射力和反弹夹角；在虚拟应急救护孪生模型上输出并显示所述反射力和反弹夹角，使操作者参考所述反射力和反弹夹角纠正模拟操作动作的力度和方向。可以客观地分析受训者的应急救护技能,为提高应急救护技能提供客观数据,大大提高应急救护训练效率。利用虚拟现实技术、力反馈技术构建模拟和训练过程的模拟技术，缩短培训周期,减少培训成本,提高培训效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的虚实结合的应急救护模拟方法的流程图；
图2为本发明的形变中心点的位置变化示意图；
图3为利用本发明进行模拟训练所得数据的分析图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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例，都属于本申请保护的范围。
在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
本发明提出了一种虚实结合的应急救护模拟系统，包括：应急救护物理模型和应急救护虚拟操作系统。
应急救护虚拟操作系统包括：应急救护数字孪生模型、模拟处理器、数据传感和计算单元和数据输出单元。
模拟处理器建立虚拟应急救护孪生模型受的合力及展现的弹性形变状态。
数据传感和计算单元对应急救护物理模型上的模拟操作状态进行实时数据处理，计算反射力和反弹夹角。
数据输出单元在虚拟应急救护孪生模型上输出并显示反射力和反弹夹角，从而使操作者参考所述反射力和反弹夹角纠正模拟操作动作的力度和方向。
优选地，应急救护物理模型上设置有传感器，传感器与应急救护虚拟操作系统电连接，由传感器检测学员在动作关键点处的动作的符合程度，更好地是同时设置在操作工具的姿态传感器，这样，既可以采集人员的操作姿态信息也可以检测操作动作的符合程度，对操作者的操作姿态和操作动作的符合程度同时进行采集，方便对操作姿态和操作动作的符合程度进行评价，为评价系统对操作者的操作情况进行评价提供更全面的信息。
应急救护数字孪生模型包括：框架模型、血流模型与软组织模型。基于扫描数据生成应急救护数字孪生模型的框架模型，模拟处理器在框架模型中添加血流模型与软组织模型，并建立血流模型与软组织模型之间的约束关系。
在优选实施例中，获取应急救护物理模型的扫描数据，并基于扫描数据生成应急救护数字孪生模型的框架模型，框架模型的建模包括对应急救护场景基于物理方法创建2D数字孪生体仿真模型和3D数字孪生体仿真模型；2D数字孪生体仿真模型采用OpenAIGym创建，3D数字孪生体仿真模型采用unity3d平台创建；2D数字孪生体仿真模型和3D数字孪生体仿真模型为B/S架构，通过浏览器多窗口接入目标场景的数字孪生体。通过强化学习算法训练出对数字孪生体仿真模型进行控制的控制策略。
本发明还提出了一种虚实结合的应急救护模拟方法，如图1所示，该应急救护模拟方法包括如下步骤：
S1、构建应急救护物理模型在映射空间中的应急救护数字孪生模型，虚拟应急救护孪生模型包括框架模型、软组织模型和血流模型。
获取应急救护物理模型的扫描数据，并基于扫描数据生成应急救护数字孪生模型的框架模型，在框架模型中添加血流模型与软组织模型，建立血流模型与软组织模型之间的约束关系。
基于模型参数以及位移值构建血流模型与软组织模型之间的约束关系；
；
其中，f为血流模型与软组织模型之间的约束力；γ为约束因子；k为血管模型对应的模型参数；δ为血流模型与软组织模型之间的位移值；r为血流在轴向的单位时间内的位移向量，e为自然常数。
S2、建立虚拟应急救护孪生模型受的合力及展现的弹性形变状态。
构建对应于应急救护物理模型操作点的中心点，计算每个中心点所受的合力。
每个操作点对应的中心点i所受的合力Fi为:
Fi=FS+FW；
其中:FS为中心点i所受的弹力，FW为中心点所受外力，即操作者施加在操作工具上的力。
计算每个操作点对应的中心点i周围软组织的弹性形变。
各中心点所受的弹力Fs为:
；
则：
；
其中：Ks为软组织自然状态下的弹性系数，表征形变前的软组织弹性特性；为软组织形变量，即伸长量或压缩量，在虚拟应急救护孪生模型中对应于中心点相对于邻点的移动量。
虚拟应急救护孪生模型的软组织自然状态下的弹性系数Ks按如下公式计算：
；
其中，D为软组织弹性形变的面积，E为储能模量，为软组织自然状态下的弹性形变量。此处需要说明的是，软组织在自然状态下也具有储能，也具有弹性。
S3、应急救护虚拟操作系统的数据传感和计算单元对应急救护物理模型上的模拟操作状态进行实时数据处理，在虚拟应急救护孪生模型上输出反射力和反弹夹角。
在软组织形变过程中，形变中心点的位置发生变化，位置变化前的形变中心点为P1，位置变化前的形变中心点P1与周边邻点P0距离为L，位置变化后的形变中心点为,位置变化后的形变中心点/>与周边邻点P0连线与中心点移动方向形成夹角，即反弹夹角，如图2所示：
反弹夹角的计算公式如下：
；
对于反射力的计算公式如下：
；
；
其中: 为软组织反射力方向弹性系数；KS为软组织自然状态下的弹性系数；为软组织形变量， />为形变中心点在法线方向上的移动距离。
在优选实施例中，在应急救护物理模型上进行模拟救护操作的反射力需要根据用户输入和目标软组织参数实时计算并反馈。
结合反射力的3个阶段及参数计算，给出软组织形变过程的反射力模型：
；
为形变后中心点受到的阻尼力，μ为软组织内摩擦系数，K为软组织内的粘性系数，v为操作工具移动速度，/>为形变中心点在法线方向上的最大移动距离。
在优选实施例中，建立多元回归预测模型，输出预测力/预测扭矩。
实验所采集的数据经去噪处理后对其进行统计分析，建立多元回归预测模型，对影响因素和预测力/预测扭矩进行数理统计分析处理，确定因变量与自变量间的相关度，最终确定多元回归预测模型中的相关系数，构建操作的预测力/预测扭矩与影响参数间的函数方程式。
通过对实验所得数据回归分析可得：
；
式中，F是操作过程中的工具的预测力，M是操作过程中的工具的预测扭矩，d为工具的直径，Di为物理模型材料密度，VS为工具的旋转速度，Vf为工具进给速度。
实时地，通过机械测量采集在救护工具上开展模拟操作时的操作力数据,采用测力仪与数据采集卡,经数据采集与分析软件,实时测量操作时真实的操作力和力矩。将实测操作力和扭矩与预测力和预测扭矩进行比对，若差值在允许范围内，则操作符合标准，若差值超出允许范围内，则操作不符合标准，并在输出单元上反馈，差值。
S4、在虚拟应急救护孪生模型上输出并显示反射力和反弹夹角，从而使得操作者可以在操作过程中实时参考反射力和反弹夹角，纠正模拟操作动作的力度和方向。
如图3所示，将模拟训练所得数据进行分析，随着用户模拟次数的增加，用户在应急救护物理模型上操作的角度误差、距离误差和力度误差随之降低，在第二次模拟后用户为了保证操作误差减少，术中操作的时间有所增加，但随着模拟次数的增加，用户的应急救护物理模型操作时间总体上也是呈下降趋势的。说明用户通过在应急救护模拟的反复训练可以提高其操作技能和熟练度，可以将训练效果有效地转化为救护经验，达到了预期效果。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，SSD))等。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种虚实结合的应急救护模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、构建应急救护物理模型在映射空间中的应急救护数字孪生模型；
S2、建立虚拟应急救护孪生模型受的合力及展现的弹性形变状态；
S3、对应急救护物理模型上的模拟操作状态进行实时数据处理，计算反射力和反弹夹角；
S4、在虚拟应急救护孪生模型上输出并显示所述反射力和反弹夹角，使操作者参考所述反射力和反弹夹角纠正模拟操作动作的力度和方向。
2.根据权利要求1所述的虚实结合的应急救护模拟方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
构建对应于应急救护物理模型操作点的中心点，计算每个中心点所受的合力；
计算每个操作点对应的中心点周围软组织的弹性形变。
3.根据权利要求1所述的虚实结合的应急救护模拟方法，其特征在于，所述步骤S3中，在软组织形变过程中，形变中心点的位置发生变化，位置变化前的形变中心点为P1，位置变化后的形变中心点与周边邻点P0连线与中心点移动方向形成反弹夹角/>：
；
对于反射力的计算公式如下：
；
；
其中: 为软组织反射力方向弹性系数；KS为软组织自然状态下的弹性系数；/> 为软组织形变量， />为形变中心点在法线方向上的移动距离。
4.根据权利要求3所述的虚实结合的应急救护模拟方法，其特征在于，各中心点所受弹力Fs为:
；
其中：Ks为软组织自然状态下的弹性系数；为软组织形变量；
虚拟应急救护孪生模型的软组织自然状态下的弹性系数Ks按如下公式计算：
；
其中，D为软组织形变的面积，E为储能模量， 为软组织自然状态下的弹性形变量。
5.根据权利要求1所述的虚实结合的应急救护模拟方法，其特征在于，所述步骤S1中，获取应急救护物理模型的扫描数据，基于所述扫描数据生成应急救护数字孪生模型的框架模型，在所述框架模型中添加血流模型与软组织模型，建立血流模型与软组织模型之间的约束关系。
6.根据权利要求5所述的虚实结合的应急救护模拟方法，其特征在于，基于模型参数以及位移值构建血流模型与软组织模型之间的约束关系；
；
其中，f为血流模型与软组织模型之间的约束力；γ为约束因子；k为血管模型对应的模型参数；δ为血流模型与软组织模型之间的位移值；r为血流在轴向的单位时间内的位移向量，e为自然常数。
7.一种虚实结合的应急救护模拟系统，用于实现权利要求1-6任意一项所述的虚实结合的应急救护模拟方法，其特征在于，包括：应急救护物理模型和应急救护虚拟操作系统；
所述应急救护虚拟操作系统包括：应急救护数字孪生模型、模拟处理器、数据传感和计算单元和数据输出单元；
所述模拟处理器建立虚拟应急救护孪生模型受的合力及展现的弹性形变状态；
所述数据传感和计算单元对应急救护物理模型上的模拟操作状态进行实时数据处理，计算反射力和反弹夹角；
所述数据输出单元在虚拟应急救护孪生模型上输出并显示所述反射力和反弹夹角，使操作者参考所述反射力和反弹夹角纠正模拟操作动作的力度和方向。
8.根据权利要求7所述的虚实结合的应急救护模拟系统，其特征在于，所述应急救护数字孪生模型包括：框架模型、血流模型与软组织模型；基于扫描数据生成应急救护数字孪生模型的框架模型，所述模拟处理器在框架模型中添加血流模型与软组织模型，并建立血流模型与软组织模型之间的约束关系。
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