CN206133563U - 一种虚拟现实的外科手术训练设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于虚拟现实技术领域，公开了一种虚拟现实的外科手术训练设备，包括数据库模块、虚拟仿真计算机模块、动作信息采集器、虚拟手术台、虚拟手术灯、虚拟环境生成系统、训练结果判定模块；数据库模块与虚拟仿真计算机模块相连、虚拟仿真计算机模块分别与动作信息采集器、虚拟手术台、虚拟手术灯、虚拟环境生成系统及训练结果判定模块相连。该实用新型提供的虚拟现实的外科手术训练设备，能够有效解决现有技术中外科手术训练成本高，难度大的技术问题，能够使外科手术的训练成本更低，更加安全，场景模拟更加逼真。

Description

一种虚拟现实的外科手术训练设备

技术领域

本实用新型属于虚拟现实技术领域，特别是涉及一种虚拟现实的外科手术训练设备。

背景技术

虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。虚拟现实技术(VR)主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。模拟环境是由计算机生成的、实时动态的三维立体逼真图像。感知是指理想的VR应该具有一切人所具有的感知。除计算机图形技术所生成的视觉感知外，还有听觉、触觉、力觉、运动等感知，甚至还包括嗅觉和味觉等，也称为多感知。自然技能是指人的头部转动，眼睛、手势、或其他人体行为动作，由计算机来处理与参与者的动作相适应的数据，并对用户的输入做出实时响应，并分别反馈到用户的五官。传感设备是指三维交互设备。虚拟现实技术演变发展史大体上可以分为四个阶段有声形动态的模拟是蕴涵虚拟现实思想的第一阶段(1963)年以前虚拟现实萌芽为第二阶段(1963-1972)虚拟现实概念的产生和理论初步形成为第三阶段(1973-1989)虚拟现实理论进一步的完善和应用为第四阶段(1990-2004)。

虚拟现实是多种技术的综合，包括实时三维计算机图形技术，广角(宽视野)立体显示技术，对观察者头、眼和手的跟踪技术，以及触觉/力觉反馈、立体声、网络传输、语音输入输出技术等。下面对这些技术分别加以说明。

相比较而言，利用计算机模型产生图形图像并不是太难的事情。如果有足够准确的模型，又有足够的时间，我们就可以生成不同光照条件下各种物体的精确图像，但是这里的关键是实时。例如在飞行模拟系统中，图像的刷新相当重要，同时对图像质量的要求也很高，再加上非常复杂的虚拟环境，问题就变得相当困难。

人看周围的世界时，由于两只眼睛的位置不同，得到的图像略有不同，这些图像在脑子里融合起来，就形成了一个关于周围世界的整体景象，这个景象中包括了距离远近的信息。当然，距离信息也可以通过其他方法获得，例如眼睛焦距的远近、物体大小的比较等。

在VR系统中，双目立体视觉起了很大作用。用户的两只眼睛看到的不同图像是分别产生的，显示在不同的显示器上。有的系统采用单个显示器，但用户带上特殊的眼镜后，一只眼睛只能看到奇数帧图像，另一只眼睛只能看到偶数帧图像，奇、偶帧之间的不同也就是视差就产生了立体感。用户(头、眼)的跟踪：在人造环境中，每个物体相对于系统的坐标系都有一个位置与姿态，而用户也是如此。用户看到的景象是由用户的位置和头(眼)的方向来确定的。

跟踪头部运动的虚拟现实头套：在传统的计算机图形技术中，视场的改变是通过鼠标或键盘来实现的，用户的视觉系统和运动感知系统是分离的，而利用头部跟踪来改变图像的视角，用户的视觉系统和运动感知系统之间就可以联系起来，感觉更逼真。另一个优点是，用户不仅可以通过双目立体视觉去认识环境，而且可以通过头部的运动去观察环境。

虚拟现实技术已运用在了各个技术领域，军事航天领域，如模拟训练一直是军事与航天工业中的一个重要课题，这为VR提供了广阔的应用前景。美国国防部高级研究计划局DARPA自80年代起一直致力于研究称为SIMNET的虚拟战场系统，以提供坦克协同训练，该系统可联结200多台模拟器。另外利用VR技术，可模拟零重力环境，替非标准的水下训练宇航员的方法。房地产领域，它以视觉形式反映了设计者的思想，比如装修房屋之前，你首先要做的事是对房屋的结构、外形做细致的构思，为了使之定量化，你还需设计许多图纸，当然这些图纸只能内行人读懂，虚拟现实可以把这种构思变成看得见的虚拟物体和环境，使以往只能借助传统的设计模式提升到数字化的即看即所得的完美境界，大大提高了设计和规划的质量与效率。运用虚拟现实技术，设计者可以完全按照自己的构思去构建装饰“虚拟”的房间，并可以任意变换自己在房间中的位置，去观察设计的效果，直到满意为止。既节约了时间，又节省了做模型的费用。应急推演领域，虚拟现实的产生为应急演练提供了一种全新的开展模式，将事故现场模拟到虚拟场景中去，在这里人为的制造各种事故情况，组织参演人员做出正确响应。这样的推演大大降低了投入成本，提高了推演实训时间，从而保证了人们面对事故灾难时的应对技能，并且可以打破空间的限制方便的组织各地人员进行推演，这样的案例已有应用，必将是今后应急推演的一个趋势。VR在医学方面的应用具有十分重要的现实意义。在虚拟环境中，可以建立虚拟的人体模型，借助于跟踪球、HMD、感觉手套，学生可以很容易了解人体内部各器官结构，这比现有的采用教科书的方式要有效得多。Pieper等研究者在90年代初基于两个SGI工作站建立了一个虚拟外科手术训练器，用于腿部及腹部外科手术模拟。但该系统有待进一步改进，如需提高环境的真实感，增加网络功能，使其能同时培训多个使用者，或可在外地专家的指导下工作等。手术后果预测及改善残疾人生活状况，乃至新型药物的研制等方面，VR技术都有十分重要的意义。

现有技术中虽然公开了虚拟现实技术在医疗方面的应用，但关于虚拟现实技术具体在外科手术训练方面的设备还很少见，本实用新型公开了一种外科手术训练设备，医生可在虚拟手术系统上观察专家手术过程，也可重复实习。虚拟手术使得手术培训的时间大为缩短，同时减少了对昂贵的实验对象的需求。由于虚拟手术系统可为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的训练环境，力反馈绘制算法能够制造很好的临场感，所以训练过程与真实情况几乎一致，尤其是能够获得在实际手术中的手感。计算机还能够给出一次手术练习的评价。在虚拟环境中进行手术，不会发生严重的意外，能够提高医生的协作能力。

实用新型内容

本实用新型公开了一种虚拟现实的外科手术训练设备，解决了现有技术中外科手术训练成本高，难度大的技术问题。

本实用新型具体公开了一种虚拟现实的外科手术训练设备，包括数据库模块、虚拟仿真计算机模块、动作信息采集器、虚拟手术台、虚拟手术灯、虚拟环境生成系统、训练结果判定模块；数据库模块与虚拟仿真计算机模块相连用于将数据库模块中存储的各种人体器官模拟数据块传输给虚拟仿真计算机模块，当需要训练哪种外科手术时，将数据库模块中的人体器官模拟数据块调集出来传输给虚拟仿真计算机模块，再通过虚拟仿真计算机模块将人体器官模拟数据块传输给虚拟环境生成系统，由虚拟环境生成系统来生成模拟的人体器官；虚拟手术台与虚拟手术灯与模拟的人体器官相配合使整个环境更加逼真。动作信息采集器上安装有跟踪球，通过无线通讯与虚拟仿真计算机模块相连，虚拟仿真计算机模块根据跟踪球的移动变换来调整模拟环境的改变，从而将所对应的场景进行虚拟再现，其中信息采集器包括各种外科手术用的工具，学生可以利用这些带跟踪球的手术工具进行模拟手术。训练结果判定模块用于对学生训练结果进行判定，并通过语音设备进行播报成绩。

上述虚拟环境生成系统为头盔式虚拟现实设备。

上述虚拟环境生成系统为眼镜式虚拟现实设备。

训练结果判定模块包括了人体各种器官的标准手术方法。

训练结果判定模块还包括一个训练结果语音播报模块，用于对训练结果进行语音播报。

本实用新型的有益效果是，通过本虚拟现实的外科手术训练设备，使外科手术的训练成本更低，不会有意外的发生，并且能够制造极具真实的场景感。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例描述中所需实用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，这些附图所直接得到的技术方案也应属于本实用新型的保护范围。

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1如图1所示，一种虚拟现实的外科手术训练设备，包括数据库模块、虚拟仿真计算机模块、动作信息采集器、虚拟手术台、虚拟手术灯、虚拟环境生成系统、训练结果判定模块；数据库模块与虚拟仿真计算机模块相连用于将数据库模块中存储的信息传输给虚拟仿真计算机模块，当需要训练哪种外科手术时，将数据库模块中的人体器官模拟数据块调集出来传输给虚拟仿真计算机模块，再通过虚拟仿真计算机模块将人体器官模拟数据块传输给虚拟环境生成系统，由虚拟环境生成系统来生成模拟的人体器官，及在医生模拟手术时，模仿真实手术的场景，如鲜血场景；虚拟手术台与虚拟手术灯与模拟的人体器官相配合使整个环境更加逼真。动作信息采集器，根据实习医生的操作来采集其运动信息并通过无线通讯与虚拟仿真计算机模块相连，虚拟仿真计算机模块根据动作信息采集器传输的信息来调整模拟环境的改变，从而将所对应的场景进行虚拟再现。训练结果判定模块用于对学生训练结果进行判定。

实施例2如图1一种虚拟现实的外科手术训练设备，包括数据库模块、虚拟仿真计算机模块、动作信息采集器、虚拟手术台、虚拟手术灯、虚拟环境生成系统、训练结果判定模块；数据库模块中包含了各种人体器官模拟数据块，系统可以根据外科手术中训练课题进行人体器官模拟数据块的选择；数据库模块与虚拟仿真计算机模块相连用于将数据库模块中存储的各种人体器官模拟数据块传输给虚拟仿真计算机模块，当需要训练哪种外科手术时，将数据库模块中的人体器官模拟数据块调集出来传输给虚拟仿真计算机模块，再通过虚拟仿真计算机模块将人体器官模拟数据块传输给虚拟环境生成系统，由虚拟环境生成系统来生成模拟的人体器官，及在医生模拟手术时，模仿真实手术的场景，如鲜血场景；虚拟手术台与虚拟手术灯与模拟的人体器官相配合使整个环境更加逼真。动作信息采集器，根据实习医生的操作来采集其运动信息并通过无线通讯与虚拟仿真计算机模块相连，虚拟仿真计算机模块根据动作信息采集器传输的信息来调整模拟环境的改变，从而将所对应的场景进行虚拟再现。训练结果判定模块用于对学生训练结果进行判定。动作信息采集器、虚拟手术台、虚拟手术灯、虚拟环境生成系统、训练结果判定模块与虚拟仿真计算机模块的连接都是通过无线通讯完成的。这种虚拟现实的外科手术训练设备，能够很好的为实习医生及医学学生提供外科手术的实习机会，从而有效降低了训练的成本，场景模拟更加逼真，也有效的避免了实习过程中意外的发生。其中人体器官模拟数据块的设计，可以满足各种外科手术训练的需求。

实施例3如图1一种虚拟现实的外科手术训练设备，包括数据库模块、虚拟仿真计算机模块、动作信息采集器、虚拟手术台、虚拟手术灯、虚拟环境生成系统、训练结果判定模块；数据库模块中包含了各种人体器官模拟数据块，系统可以根据外科手术中训练课题进行人体器官模拟数据块的选择；所述训练结果判定模块还包括了一个训练结果语音播报模块，用于将学生训练的结果与正确手术方式进行对比从而判定学生的手术方式是否正确，进而将结果进行语音播报。数据库模块与虚拟仿真计算机模块相连用于将数据库模块中存储的各种人体器官模拟数据块传输给虚拟仿真计算机模块，当需要训练哪种外科手术时，将数据库模块中的人体器官模拟数据块调集出来传输给虚拟仿真计算机模块，再通过虚拟仿真计算机模块将人体器官模拟数据块传输给虚拟环境生成系统，由虚拟环境生成系统来生成模拟的人体器官，及在医生模拟手术时，模仿真实手术的场景，如鲜血场景；虚拟手术台与虚拟手术灯与模拟的人体器官相配合使整个环境更加逼真。动作信息采集器，根据实习医生的操作来采集其运动信息并通过无线通讯与虚拟仿真计算机模块相连，虚拟仿真计算机模块根据动作信息采集器传输的信息来调整模拟环境的改变，从而将所对应的场景进行虚拟再现。训练结果判定模块用于对学生训练结果进行判定。动作信息采集器、虚拟手术台、虚拟手术灯、虚拟环境生成系统、训练结果判定模块与虚拟仿真计算机模块的连接都是通过无线通讯完成的。这种虚拟现实的外科手术训练设备，能够很好的为实习医生及医学学生提供外科手术的实习机会，从而有效降低了训练的成本，场景模拟更加逼真，也有效的避免了实习过程中意外的发生。其中人体器官模拟数据块的设计，可以满足各种外科手术训练的需求。语音播报模块的设置可以使训练结果更加一目了然便于导师进行更正。

实施例4如图1一种虚拟现实的外科手术训练设备，包括数据库模块、虚拟仿真计算机模块、动作信息采集器、虚拟手术台、虚拟手术灯、虚拟环境生成系统、训练结果判定模块；数据库模块中包含了各种人体器官模拟数据块，系统可以根据外科手术中训练课题进行人体器官模拟数据块的选择；所述训练结果判定模块还包括了一个训练结果语音播报模块，用于将学生训练的结果与正确手术方式进行对比从而判定学生的手术方式是否正确，进而将结果进行语音播报。数据库模块与虚拟仿真计算机模块相连用于将数据库模块中存储的各种人体器官模拟数据块传输给虚拟仿真计算机模块，当需要训练哪种外科手术时，将数据库模块中的人体器官模拟数据块调集出来传输给虚拟仿真计算机模块，再通过虚拟仿真计算机模块将人体器官模拟数据块传输给虚拟环境生成系统，由虚拟环境生成系统来生成模拟的人体器官，及在医生模拟手术时，模仿真实手术的场景，如鲜血场景；虚拟手术台与虚拟手术灯与模拟的人体器官相配合使整个环境更加逼真。动作信息采集器，根据实习医生的操作来采集其运动信息并通过无线通讯与虚拟仿真计算机模块相连，本实施例中动作信息采集器包括了外科手术所用的各种工具，如手术刀、手术剪等，并且在这些工具上安装有跟踪球，及无线通讯设备，可以将跟踪球的运动信息通过无线通讯设备进传递给虚拟仿真计算机模块，虚拟仿真计算机模块根据动作信息采集器传输的信息来调整模拟环境的改变，从而将所对应的场景进行虚拟再现，如器官内部构造及鲜血等的场景构建。本实施例中虚拟环境生成系统是头盔式虚拟现实设备。训练结果判定模块用于对学生训练结果进行判定。动作信息采集器、虚拟手术台、虚拟手术灯、虚拟环境生成系统、训练结果判定模块与虚拟仿真计算机模块的连接都是通过无线通讯完成的。这种虚拟现实的外科手术训练设备，能够很好的为实习医生及医学学生提供外科手术的实习机会，从而有效降低了训练的成本，场景模拟更加逼真，也有效的避免了实习过程中意外的发生。其中人体器官模拟数据块的设计，可以满足各种外科手术训练的需求。语音播报模块的设置可以使训练结果更加一目了然便于导师进行更正。

实施例5如图1一种虚拟现实的外科手术训练设备，包括数据库模块、虚拟仿真计算机模块、动作信息采集器、虚拟手术台、虚拟手术灯、虚拟环境生成系统、训练结果判定模块；数据库模块中包含了各种人体器官模拟数据块，系统可以根据外科手术中训练课题进行人体器官模拟数据块的选择；所述训练结果判定模块还包括了一个训练结果语音播报模块，用于将学生训练的结果与正确手术方式进行对比从而判定学生的手术方式是否正确，进而将结果进行语音播报。数据库模块与虚拟仿真计算机模块相连用于将数据库模块中存储的各种人体器官模拟数据块传输给虚拟仿真计算机模块，当需要训练哪种外科手术时，将数据库模块中的人体器官模拟数据块调集出来传输给虚拟仿真计算机模块，再通过虚拟仿真计算机模块将人体器官模拟数据块传输给虚拟环境生成系统，由虚拟环境生成系统来生成模拟的人体器官，及在医生模拟手术时，模仿真实手术的场景，如鲜血场景；虚拟手术台与虚拟手术灯与模拟的人体器官相配合使整个环境更加逼真。动作信息采集器，根据实习医生的操作来采集其运动信息并通过无线通讯与虚拟仿真计算机模块相连，本实施例中动作信息采集器包括了外科手术所用的各种工具，如手术刀、手术剪等，并且在这些工具上安装有跟踪球，及无线通讯设备，可以将跟踪球的运动信息通过无线通讯设备进传递给虚拟仿真计算机模块，虚拟仿真计算机模块根据动作信息采集器传输的信息来调整模拟环境的改变，从而将所对应的场景进行虚拟再现，如器官内部构造及鲜血等的场景构建。本实施例中虚拟环境生成系统是眼镜式虚拟现实设备。训练结果判定模块用于对学生训练结果进行判定。动作信息采集器、虚拟手术台、虚拟手术灯、虚拟环境生成系统、训练结果判定模块与虚拟仿真计算机模块的连接都是通过无线通讯完成的。这种虚拟现实的外科手术训练设备，能够很好的为实习医生及医学学生提供外科手术的实习机会，从而有效降低了训练的成本，场景模拟更加逼真，也有效的避免了实习过程中意外的发生。其中人体器官模拟数据块的设计，可以满足各种外科手术训练的需求。语音播报模块的设置可以使训练结果更加一目了然便于导师进行更正。

Claims (1)

1.一种虚拟现实的外科手术训练设备，其特征在于：包括数据存储器、虚拟仿真计算机、带跟踪球的外科手术工具、头盔式虚拟现实设备、训练结果语音播报器；数据存储器与虚拟仿真计算机连接、虚拟仿真计算机又分别与带跟踪球的外科手术工具、头盔式虚拟现实设备以及训练结果语音播报器连接。