CN111613122A - 虚实融合的血管介入手术模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种虚实融合的血管介入手术模拟系统，包括实体模拟人，内置有力反馈设备；介入手术设备；空间定位设备，用于检测介入手术设备的位置和/或角度；数据主机，用于搭建教学管理平台和手术虚拟环境、根据教学内容调用病例数据和构建三维体数据模型，以及根据来自力反馈设备和空间定位设备的信号进行血管介入手术模拟以及进行手术操作的流程提示和引导；全息影像设备，与数据主机通讯连接，全息影像设备用于接收和播放来自数据主机的影像数据以及进行人机交互。有利于进行血管介入手术的专项培训考核以及手术教育的推广，模拟沉浸式的虚拟手术环境，培养临床思维以及提高病例数据的丰富程度。
Description
技术领域
本发明涉及模拟医学技术领域，特别涉及一种虚实融合的血管介入手术模拟系统。
背景技术
心脑血管病是我国国民死亡的第一病因，而作为治疗心脑血管病重要疗法的血管介入手术的临床应用越来越广泛。目前，血管介入手术的学习主要采用学徒式教学模式，即年轻医生在上级医生的指导下直接在患者身上进行教学实践，存在增加手术并发症的风险。
通过模拟医学教育可以避免教学中直接面对患者，减少医疗差错。然而，现有的血管介入手术模拟教学设备存在以下问题：
1)真实感、沉浸感和交互感不足，缺乏沉浸式手术环境、训练场景单一等；
2)缺乏临床思维培养，手术模拟中缺乏临床血管手术操作的流程提示和引导，人机交互功能不足，不能及时纠正错误操作；
3)病例数量有限，缺乏个性化病例数据。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种虚实融合的血管介入手术模拟系统，能够实现血管介入手术的模拟仿真。
根据本发明实施例的虚实融合的血管介入手术模拟系统，包括实体模拟人，内置有力反馈设备，所述实体模拟人用作血管介入手术的模拟对象；介入手术设备，用于对所述实体模拟人进行血管介入模拟手术；空间定位设备，用于检测所述介入手术设备的位置和/或角度；数据主机，分别与所述力反馈设备和所述空间定位设备电性连接，所述数据主机用于搭建教学管理平台和手术虚拟环境、根据教学内容调用病例数据和构建三维体数据模型，以及根据来自所述力反馈设备和所述空间定位设备的信号进行血管介入手术模拟以及进行手术操作的流程提示和引导；全息影像设备，与所述数据主机通讯连接，所述全息影像设备用于接收和播放来自所述数据主机的影像数据以及进行人机交互。
根据本发明实施例的虚实融合的血管介入手术模拟系统，至少具有如下有益效果：
基于全息影像技术搭建血管介入手术的教学管理平台，有利于进行血管介入手术的专项培训考核以及手术教育的推广，根据数据主机构建三维虚拟手术环境，并通过全息影像设备投影，可以模拟沉浸式的虚拟手术环境，在模拟手术过程中进行手术操作的流程提示和引导，有利于培养临床思维，根据教学内容调用不同的病例数据并构建三维体数据模型，有利于提高病例数据的丰富程度。
根据本发明的一些实施例，所述教学管理平台包括远程教学模块、协同教学模块、训练模块和考核模块中的至少一个。
根据本发明的一些实施例，所述训练模块包括全息影像提示单元、对象选择单元和信息提取单元，所述全息影像提示单元通过语音和/或画面进行教学提示，所述对象选择单元根据练习者的手部动作选取可交互对象，所述信息提取单元用于读取并显示被选取对象的预设信息。
根据本发明的一些实施例，所述训练模块还包括标注单元，所述标注单元用于对被选取对象进行标注。
根据本发明的一些实施例，所述全息影像设备具有摄像头，所述摄像头用于捕捉练习者的手部动作信息，并将所述手部动作信息发送给所述数据主机。
根据本发明的一些实施例，血管介入模拟系统还包括与所述数据主机通讯连接的手部定位模块，所述手部定位模块用于检测练习者的手部动作，并将检测结果发送给所述数据主机。
根据本发明的一些实施例，所述数据主机内置或外接有存储器，所述存储器用于存储病例数据库、教学案例和训练信息中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述空间定位设备采用电磁定位系统。
根据本发明的一些实施例，所述三维体数据模型为根据所述病例数据，通过边缘界定算法编辑以及通过三维图像引擎或三维图像工具渲染而成的多边形曲面模型。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的虚实融合的血管介入手术模拟系统的结构示意图；
图2为图1示出的虚实融合的血管介入手术模拟系统的教学管理屏体的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、连接、电性连接、通讯连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
请参照图1，本实施例公开了一种虚实融合的血管介入手术模拟系统，包括实体模拟人100、介入手术设备200、空间定位设备300、数据主机400和全息影像设备500，实体模拟人100用作血管介入手术的模拟对象，实体模拟人100是指1：1的人体模型，实体模拟人100内置有力反馈设备，并利用与人体血管相同硬度的材料模拟真实的人体血管，使练习者在进行模拟手术时更具有临床手术的手感，介入手术设备200包括导管、导丝和微导管等血管介入手术的常用手术设备，介入手术设备200用于对实体模拟人100进行血管介入模拟手术，实体模拟人100可以模拟真实人体情况，实体模拟人100内置的力反馈设备感受介入手术操作时手部的阻滞感，并产生相应的力反馈信号，有利于对模拟手术进行仿真分析，空间定位设备300用于检测介入手术设备200的位置和/或角度，并产生相应的检测信号，以便于数据主机400生成介入手术设备200在手术过程中模拟影像，数据主机400分别与力反馈设备和空间定位设备300电性连接，数据主机400用于搭建教学管理平台和手术虚拟环境、根据教学内容调用病例数据和构建三维体数据模型，以及根据来自力反馈设备和空间定位设备300的信号进行血管介入手术模拟以及进行手术操作的流程提示和引导，全息影像设备500与数据主机400通讯连接，全息影像设备500可以采用立体全息投影仪或者头戴式全息设备，全息影像设备500用于接收和播放来自数据主机400的影像数据以及进行人机交互。
基于全息影像技术搭建血管介入手术的教学管理平台，有利于进行血管介入手术的专项培训考核以及手术教育的推广，通过数据主机400构建三维虚拟手术环境，虚拟手术环境包括手术台和C型臂等常用的手术仪器，并通过全息影像设备500投影，可以构建沉浸式的虚拟手术环境，在模拟手术过程中进行手术操作的流程提示和引导，可以实现手术操作流程的规范训练，有利于培养训练者的临床思维和引导自主学习手术的操作步骤，根据教学内容调用不同的病例数据和构建三维体数据模型，病例数据来源于预设的病例数据库，病例数据包括医学影像数据和病理CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)/MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像)切片数据等，有利于提高病例数据的丰富程度，根据病例数据构建三维体数据模型，有利于还原病例结构，例如造影介入时的各种动静脉结构，可以进行多角度和深度观察，便于加深练习者的理解。
请参照图2，教学管理平台包括远程教学模块、协同教学模块、训练模块和考核模块中的至少一个。教学管理平台中具有多种模式，可以覆盖血管介入手术教学、培训和考核的全流程，并通过设计相应的手术虚拟环境，可以使练习者具有临床手术的沉浸感。
训练模块包括全息影像提示单元、对象选择单元和信息提取单元，全息影像提示单元通过语音和/或画面进行教学提示，例如在进行模拟手术时，根据手术的操作流程对每一操作步骤进行语音播报，以及调用预设的图片和/或视频文件以配合影像进行讲解，对象选择单元根据练习者的手部动作选取可交互对象，当可交互对象被选取后进行高亮显示，信息提取单元用于读取并显示被选取对象的预设信息，例如，当练习者选取某一段血管后，对象选择单元对该段血管进行高亮显示，信息提取单元读取并显示与该段血管相关的病理信息，其中显示方式可以为语音播报、文字显示或病理解剖的图像显示。
训练模块还包括标注单元，标注单元用于对被选取对象进行标注，例如，当练习者选取某一段血管后，标注单元将该段血管的标记(MARK)设为TRUE(真)或者FALSE(假)，并改变该段血管的显示状态、颜色或透明度中的任意一种。
全息影像设备500具有摄像头，摄像头用于捕捉练习者的手部动作信息，并将手部动作信息发送给数据主机400，其中，全息影像设备500捕捉手部动作信息后通过SLAM(simultaneous localization and mapping，即时定位与地图构建)算法进行手部的空间位置定位和动作识别，数据主机400根据手部动作信息实现虚拟交互，例如，菜单选择、从菜单中选择模拟手术需要使用的介入手术设备200的种类。
本实施例的虚实融合的血管介入手术模拟系统还包括与数据主机400通讯连接的手部定位模块，手部定位模拟可以采用红外定位设备或电磁定位设备，手部定位模块佩戴在练习者的手部，手部定位模块用于检测练习者的手部动作，并将检测结果发送给数据主机400。本实施例的虚实融合的血管介入手术模拟系统通过摄像头进行手部动作捕捉以及配合手部定位模拟进行练习者的手部空间定位，可以精准地获取练习者的手部动作，实现与手术虚拟环境的交互，例如，操作虚拟菜单、在手术过程中操作虚拟的手术台和C型臂以及选取可交互对象等。
为了便于各种数据的存储，数据主机400内置或外接有存储器，存储器用于存储病例数据库、教学案例和训练信息中的至少一种，病例数据库具有多种医学影像数据和病理CT/MRI切片数据，种类丰富，且可以根据需要对病例数据库进行定时或不定时更新，根据教学内容选择相应的病例数据，有利于针对血管介入手术的个性化病例进行培训和考核。
空间定位设备300采用电磁定位系统。电磁定位系统包括磁场发射器和接收传感器，电磁定位系统是根据目标物的磁场分布模型，确定磁场发射器和接收传感器之间的关系，从而建立包含目标位置信息的方程组，然后通过解方程组得到目标位置信息(空间坐标)。电磁定位系统的精度为毫米级，而且体积小、价格低和不易受外界干扰，可以对介入手术设备200的位置和/或角度进行精准定位。
三维体数据模型为根据病例数据，通过边缘界定算法编辑以及通过三维图像引擎或三维图像工具渲染而成的多边形曲面模型，即，根据预定的阈值从医学影像数据或病理CT/MRI切片数据中提取等值面，其次根据该等值面生成多边形网格模型，然后通过三维图像引擎或三维图像工具将多边形网格模型渲染成多边变形曲面模型。基于病例数据构建三维体数据模型，并将模拟手术过程中的介入手术设备200数据与三维体数据模型相结合，例如，根据空间定位设备300的检测信号在三维体数据模型中模拟介入手术设备200的动作，并根据力反馈设备的检测信号进行相手术仿真分析，可以从多个角度进行观察，便于练习者对手术操作进行理解。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.一种虚实融合的血管介入手术模拟系统，其特征在于，包括：
实体模拟人(100)，内置有力反馈设备，所述实体模拟人(100)用作血管介入手术的模拟对象；
介入手术设备(200)，用于对所述实体模拟人(100)进行血管介入模拟手术；
空间定位设备(300)，用于检测所述介入手术设备(200)的位置和/或角度；
数据主机(400)，分别与所述力反馈设备和所述空间定位设备(300)电性连接，所述数据主机(400)用于搭建教学管理平台和手术虚拟环境、根据教学内容调用病例数据和构建三维体数据模型，以及根据来自所述力反馈设备和所述空间定位设备(300)的信号进行血管介入手术模拟以及进行手术操作的流程提示和引导；
全息影像设备(500)，与所述数据主机(400)通讯连接，所述全息影像设备(500)用于接收和播放来自所述数据主机(400)的影像数据以及进行人机交互。
2.根据权利要求1所述的虚实融合的血管介入手术模拟系统，其特征在于，所述教学管理平台包括远程教学模块、协同教学模块、训练模块和考核模块中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的虚实融合的血管介入手术模拟系统，其特征在于，所述训练模块包括全息影像提示单元、对象选择单元和信息提取单元，所述全息影像提示单元通过语音和/或画面进行教学提示，所述对象选择单元根据练习者的手部动作选取可交互对象，所述信息提取单元用于读取并显示被选取对象的预设信息。
4.根据权利要求2或3所述的虚实融合的血管介入手术模拟系统，其特征在于，所述训练模块还包括标注单元，所述标注单元用于对被选取对象进行标注。
5.根据权利要求1所述的虚实融合的血管介入手术模拟系统，其特征在于，所述全息影像设备(500)具有摄像头，所述摄像头用于捕捉练习者的手部动作信息，并将所述手部动作信息发送给所述数据主机(400)。
6.根据权利要求1或5所述的虚实融合的血管介入手术模拟系统，其特征在于，还包括与所述数据主机(400)通讯连接的手部定位模块，所述手部定位模块用于检测练习者的手部动作，并将检测结果发送给所述数据主机(400)。
7.根据权利要求1所述的虚实融合的血管介入手术模拟系统，其特征在于，所述数据主机(400)内置或外接有存储器，所述存储器用于存储病例数据库、教学案例和训练信息中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的虚实融合的血管介入手术模拟系统，其特征在于，所述空间定位设备(300)采用电磁定位系统。
9.根据权利要求1所述的虚实融合的血管介入手术模拟系统，其特征在于，所述三维体数据模型为根据所述病例数据，通过边缘界定算法编辑以及通过三维图像引擎或三维图像工具渲染而成的多边形曲面模型。
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