一种骨切削手术教学训练系统技术方案

本发明专利技术旨在搭建一种骨切削手术教学训练系统。所述方法的具体步骤为：1.通过已公开的CT云数据库将其数据导入MIMICS软件系统，用以构建虚拟骨骼模型；2.将以已构建的骨骼模型导入ABAQUS进行有限元仿真模拟；3.训练医师通过操作实物骨切削装置进行骨切削训练；4.训练医师在操作骨切削训练装置的同时通过力传感器、测距传感器、温度传感器等实现数据采集并上传至上位机，对当前骨切削过程进行模拟；7.建立模拟训练教学评定系统；所述方法利用技术构建模拟手术教学体系,为医院和医学院校提供了广阔而透明的仿真教学和研究平台。阔而透明的仿真教学和研究平台。阔而透明的仿真教学和研究平台。

【技术实现步骤摘要】
一种骨切削手术教学训练系统


[0001]本专利技术涉及计算机医学领域，具体提供将传统工科与医科相结合的具有进步意义的骨切削手术教学训练系统。

技术介绍

[0002]医学模拟教育早在20世纪60年代就以标准化病人和医学模拟人的形式报道出现，随着虚拟仿真技术的日益成熟，人们对患者安全的关注度提高，医师在患者身上实践的机会越来越少，虚拟仿真模拟教学方式在医学教学中的接受度也在不断地提高,虚拟仿真可以利用各种模拟手段，再现临床工作中的场景，为学习者提供一个无风险的学习条件。我们知道，在培养一名年轻骨科医师的过程中，由于其手术类型的特殊性以及高昂的骨骼修复材料，使得每培养一位成熟的骨科医生的代价都会比较大。
[0003] 目前国内很多单位都开展了虚拟手术仿真技术的研究，其中有对于外科医生手术操作训练用的鼻腔镜手术仿真系统，该系统基于 SensAble公司的 PHANTOM 力反馈设备，利用虚拟现实技术来表现鼻腔镜手术过程中对鼻腔解剖结构的漫游以及对有关鼻腔组织的手术操作反应，该系统提供的实时高分辨率的视觉和力觉反馈具有很强的真实感，为虚拟现实技术在手术仿真训练中的实用化探索了一条有益的路子。巴基斯坦NUST设计了一款基于医学仿真框架SOFA开发的一款内窥镜微创手术仿真器SmartSim。该仿真器包括交互设备、显示器与仿真系统。该仿真器的交互设备，器械的各个关节均装有传感器，用户在进行手术器械操作时，系统可以读取操作器的运动与信息状态，控制虚拟器械在仿真环境中做出相应动作。当用户操作器械控制虚拟器械在仿真环境中与物体进行交互时，虚拟器械模型与器官模型之间会首先进行碰撞检测，如果有碰撞会根据碰撞信息产生交互作用，例如器官形变的大小并根据此计算器官受到的压力，再将此压力反馈给操作者。操作者可以根据力反馈感受器械与器官组织之间的接触，从而调节自己的操作。在该仿真器中，设计了两种训练项目，分别为微创手术器械的夹持操作与器官的切割。骨切削手术模拟中的力觉建模最关键的问题是如何在实时性和力觉计算的精确性之间达到平衡。
[0004]在现有的模拟手术系统中，我们不难发现其缺点：1.整体系统较为昂贵，其模拟成本并不低于动物手术模拟、橡胶人模拟等传统教学手段，2.模拟过程不可量化评估，不能形成较为完善的模拟骨切削系统；3.模拟过程较为虚拟，无实物参照，目前主流模拟手术系统均采用VR在内的虚拟现实技术，虽然一定程度上减少了教学成本，但仍然与实际操作存在差异性，不能较为完整的还原骨切削手术过程中的各种实际操作细节。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种骨切削手术教学训练系统，用以解决由于现阶段缺少关于骨切削手术教学模拟的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种搭建骨切削教学训练系统的方法，其中包括以下步骤：A1、搭建手术训练环
境，包括操作平台、实物模拟骨、智能骨钻、数据采集及成像系统。A2、搭建手术模拟环境，包括待训练虚拟骨骼、待训练虚拟手术器械。A3、将所述手术训练环境与手术模拟环境相关设备进行绑定，对训练手术环境中实物模拟骨与智能骨钻之间的空间位置变化及其运动状态，采集并上传相关数据（包括进给力、进给速度、刀具转速、切削温度）至虚拟手术环境中。A4、根据A3所采集数据进行运算分析，由此模拟训练手术环境中骨材料（模拟骨）与智能骨钻之间的相对变化情况，以此达到模拟仿真的目的。A4、根据A3所采集数据进行运算分析，由此分析训练手术环境中实物模拟骨与智能骨钻之间的空间位置变化，并在数据成像系统中进行模拟，以此达到模拟仿真的目的。A5、通过训练医师操作器材，实时模拟骨切削过程中训练医师的各种操作细节，并于预输入的标准骨切削过程进行对比评估。A6、采用SQL SERVER 数据库建立标准化骨切削过程评估体系，通过对模拟骨的各项切削效果模拟进行权重赋值，并对训练医师操作结果进行量化评估，根据具体操作效果给出较为综合的评价报告。A7、采用数据采集的方法保存训练医师操作的完整过程，保留实物模拟骨骼切削后的部分，并留存以供综合评估。
[0007]所述的搭建方法，其中，步骤A1所述的手术训练环境是实际手术训练环境，所述实际训练对象是实物模拟骨，所述实际训练工具是智能骨钻。
[0008]所述的搭建方法，其中，所述的手术训练环境中，实物模拟骨由与骨骼莫氏硬度相当的材料制成。
[0009]所述的搭建方法，其中，所述的手术训练环境中，智能骨钻由骨钻与相关传感器共同组成。智能骨钻所安装的传感器为力传感器、测距传感器、转速传感器。骨钻为市面上常见骨钻。
[0010]所述的搭建方法，其中，步骤A1所述的手术训练环境中，操作平台由骨骼固定装置与温度传感器、力传感器共同组成。
[0011]所述的搭建方法，其中，步骤A1所述的手术训练环境中，数据采集及成像系统由数据采集系统与模拟成像系统构成。
[0012]所述的搭建方法，其中，步骤A1所述的手术训练环境中，数据采集系统由安装在操作平台及智能骨钻上的各个传感器共同组成。
[0013]所述的搭建方法，其中，所述的手术训练环境中，模拟成像系统由成熟的医学成像软件MIMICS系统与有限元仿真模拟软件ABAQUS系统所构成的联合仿真系统构成。
[0014]所述的搭建方法，其中，步骤A2所述的手术模拟环境中，所述待训练虚拟骨骼、待训练虚拟手术器械由联合仿真系统生成。
[0015]所述的搭建方法，其中，虚拟骨骼的模型由开源CT数据库DeepLesion 所提供的骨骼CT数据导入MIMICS系统获得，并通过其自带的FEA（有限元分析）接口将其导入ABAQUS有限元仿真软件中进行有限元分析，并根据骨骼特征、特性进行分类标注等二次预处理。虚拟手术器械则由ABAQUS系统进行仿真绘制。
[0016]所述的搭建方法，其中，预处理后的骨骼将由GPU并行加速的统一粒子框架CSDynamic进行虚拟骨骼及虚拟手术器械进行物理特性的赋予。
[0017]所述的搭建方法，其中，步骤A3所述的手术训练环境与手术模拟环境相关设备进行绑定采取物理绑定的方法，将传感器采集的数据通过总线接口直接由数据采集及成像系统的相应总线直接读取传感器的信号。
[0018]所述的搭建方法，其中，步骤A4所述的仿真模拟采用光线追踪算法，通过计算射入相机的光线经过折射、反射等真实光学传播过程中的衰减和叠加得到包括骨骼所处环境、虚拟手术器械、骨骼本身等的颜色。
[0019]所述的搭建方法，步骤A4所述骨切削过程中采用物理近似模型Torrance
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Sparrow模型进行实时渲染。
[0020]所述的搭建方法，其中，步骤A5所述的预输入的标准骨切削过程数据由经验丰富的医生操作该教学训练系统采集得到。
[0021]所述的搭建方法，其中，步骤A6所述的SQL SERVER数据库建立标准化骨切削过程评估体系由经验丰富的医生操作该教学训练系统，经过多次采集并对数据库进行不断更新得到，通过对各个操作过程产生的数据点进行权值的赋予，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种搭建骨切削教学训练系统的方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：A1、搭建手术训练环境，包括操作平台、实物模拟骨、智能骨钻、数据采集及成像系统；A2、搭建手术模拟环境，包括待训练虚拟骨骼、待训练虚拟手术器械；A3、将所述手术训练环境与手术模拟环境相关设备进行绑定，对训练手术环境中实物模拟骨与智能骨钻之间的空间位置变化及其运动状态，采集并上传相关数据（包括进给力、进给速度、刀具转速、切削温度）至虚拟手术环境中； A4、根据A3所采集数据进行运算分析，由此分析训练手术环境中实物模拟骨与智能骨钻之间的空间位置变化，并在数据成像系统中进行模拟，以此达到模拟仿真的目的；A5、通过训练医师操作器材，实时模拟骨切削过程中训练医师的各种操作细节，并与预输入的标准骨切削过程数据进行对比评估；A6、采用SQL SERVER 数据库建立标准化骨切削过程评估体系，通过对模拟骨的各项切削效果模拟进行权重赋值，并对训练医师操作结果进行量化评估，根据具体操作效果给出综合的评价报告；A7、采用数据采集的方法保存训练医师操作的完整过程，保留实物模拟骨骼切削后部分，留存以供综合评估。2.根据权利要求1所述的搭建方法，其特征在于，步骤A1所述的手术训练环境是实际手术训练环境，所述实际训练对象是实物模拟骨，所述实际训练工具是智能骨钻；所述的手术训练环境中，实物模拟骨由与骨骼莫氏硬度相当的材料制成；所述的手术训练环境中，智能骨钻由骨钻与相关传感器共同组成；所述的手术训练环境中，智能骨钻所安装的传感器为力传感器、测距传感器、转速传感器。3.根据权利要求1所述的搭建方法，其特征在于，步骤A1所述的手术训练环境中，操作平台由骨骼固定装置与温度传感器、力传感器共同组成；数据采集及成像系统由数据采集系统与模拟成像系统构成；数据采集系统由安装在操作平台及智能骨钻上的各个传感器共同组成；模拟成像系统由成熟的医学成像软件MIMICS系统与有限元仿真模拟软件ABAQUS系统所构成的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志，刘立佳，曾令晨，王锦澳，宁宇晗，黄子轩，周金金，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：