一种基于WEB3D的医学仿真培训考试系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于WEB3D的医学仿真培训考试系统和方法，具体涉及虚拟仿真技术领域，利用高精度的三维扫描设备对软组织器官进行扫描采集，将采集的图像数据存放在公共的云存储空间中；对所述数据采集模块中的图像数据进行预处理；以三维虚拟人体的空间定位为基础，将人体各主要器官在虚拟人体中的空间位置以特定的矩阵来描述构建虚拟的人体数学模型；定义学生、教师以及平台管理员在教学场景中的权限。本发明专利技术通过虚拟仿真平台进行培训以及学生测试，医学虚拟仿真平台的建立，不仅为法医学实验开展提供有效解决途径,也为本科教学改革以及全面提升本科教学水平提供新的思路。革以及全面提升本科教学水平提供新的思路。革以及全面提升本科教学水平提供新的思路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于WEB 3D的医学仿真培训考试系统和方法


[0001]本专利技术涉及虚拟仿真
，更具体地说，本专利技术涉及一种基于WEB 3D的医学仿真培训考试系统和方法。

技术介绍

[0002]随着新工科的建设发展，市场对人才的专业技能要求不断提升，考虑到传统教学在真实场景模拟方面的局限性，高校逐渐重视虚拟仿真实验的研究，在虚拟环境中实现传统教学场景难以实现的教学功能。在医学领域，传统的教学方式难以让学生感触到医院真实的诊断场景，理论知识学习与临床实践分年级进行，影响学生的医学技能的掌握水平。医学影像设备较为昂贵，缺少实验设备的教学，效果会大打折扣。而虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、3D技术、人机交互、多媒体等新兴技术构建高仿真的虚拟实验环境，将理论教学与实践教学相结合，成本相对较低，效果较为良好，这也是医学领域实验教学的发展方向之一。
[0003]传统的手术培训主要依靠技术精湛的医生进行真实手术操作对初学者进行指导，初学者通过观察学习，多次练习积累经验，最终才能成为一名合格的外科医生。为了增加初学者的实践机会，更高效的培养方式显得尤为重要。由于标本示教价格昂贵，且标本数量少，局限性高，不能满足训练所需。正由于此，虚拟手术系统的应用为这个问题提供了一个很好的解决方案。相对传统的教学模式而言，虚拟手术系统可以为医生提供更为方便的培训条件，成本低，且没有使用次数限制，对于外科医生训练手术技能提高手术质量有着很大的帮助，在很大程度上降低了新手外科医生的培养成本。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的上述缺陷，本专利技术的实施例提供一种基于WEB 3D的医学仿真培训考试系统和方法，通过模块，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：包括数据采集模块、数据预处理模块、虚拟人体构建模块、用户与权限管理模块、学习统计与分析模块、虚拟交互模块以及互动学习模块，所述数据采集模块利用高精度的三维扫描设备对软组织器官进行扫描采集，对人体的解剖图像进行分割以及三维重建，将采集的图像数据存放在公共的云存储空间中，所述数据预处理模块对所述数据采集模块中的图像数据进行区域分割、边缘分割以及阈值分割的处理，所述人体构建模块以三维虚拟人体的空间定位为基础，将人体各主要器官在虚拟人体中的空间位置以特定的矩阵来描述构建虚拟的人体数学模型，所述用户与权限管理模块定义学生、教师以及平台管理员在教学场景中的权限，所述学习统计与分析模块通过列表、柱形图、雷达图以及路径图的形式反馈学生学习的每个环节，所述虚拟交互模块通过VR眼睛对生成好的虚拟人体进行三维场景的立体展示，通过统一的数据连接串口实现视觉、听觉以及触觉的同步反馈，所述互动学习模块老师登陆互动学习平台的管理员客户端，对学习内容、考试试题进行设置，学生能够通过微信扫码功能，扫描标本的数字识别
码，获得该标本的教学内容和自测试题。
[0006]在一个优选地实施方式中，所述数据采集模块利用了高精度的三维扫描设备对软组织器官扫描，通过逆向工程进行三维重建，从而获得软组织模型，对模拟病人的信息进行登记，对模拟病人的软组织器官图像进行采集，对模拟病人的信息进行登记，对数字人断层解剖图像的支气管进行分割并三维重建，根据管腔和管壁颜色的色差进行了分割，分割结构包括管壁、管腔和肺部轮廓进行数据的采集，将采集的图像数据存放在公共的云存储空间中。
[0007]在一个优选地实施方式中，所述数据预处理模块使用专业软件将初始格式的图像转为通用格式，就是在读取CT图像的原始数据后，调整窗宽窗位，显示出目标器官轮廓，之后进行去噪处理第二，进行图像分割，将图像中符合模型条件的分割出来，常用方法有区域分割、边缘分割以及阈值分割，进行三维重建，根据使用原理的不同可以分为面绘制和体绘制。
[0008]在一个优选地实施方式中，所述虚拟人体构建模块以三维虚拟人体的空间定位为基础，将人体各主要器官在虚拟人体中的空间位置以特定的矩阵来描述，以心脏的空间位置为例，心脏N
i
(i＝1,2,...n)的空间位置由以下矩阵来表示：
[0009][0010]式中，n表示主要器官的数量，x
i1
、x
i2
分别表示心脏在x轴向所占空间位置的上下界，y
i1
、y
i2
分别表示心脏在y轴向所占空间位置的上下界，将n个器官的每一个矩阵都建立起来，肝脏表面的每一点(x,y)都对应着一个声阻R，对于健康的肝脏，在内部没有血管的表面点，这些声阻值与肝脏的厚度成正比，在特征点的选取时考虑到了血管周围的点，这个数学模型能够表示为二元函数：R＝f
Z
(x,y)，数学模型能够表示为：R
y
＝f
y
(x,z),以特征点为依据，通过多元函数逼近的算法能够建立起虚拟的人体数学模型。
[0011]在一个优选地实施方式中，所述用户与权限管理模块定义不同角色在教学场景中的权限，包括学生、教师以及平台管理员，学生能够通过选课码、教师导入名单等方式加入课堂，学生进行登录后，点击病例库模块任务栏，进入病例类型选择界面，学生可以选择所需的病例进行学习，包括病例详情、虚拟实训、图像分析、参阅临床诊断报告、问题讨论交流、自测练习、课件点播，完成老师发布的虚拟实验并提交相关实验报告，教师作为课程负责人,对课程进行管理，配置实验时间以及查看统计信息，师生能够进行互动交流，包括实时在线答疑、在线留言，支持实时在线答疑多人视频、文字以及语音交流，实现同步网络课堂，平台管理员拥有最高权限，能够对整个平台系统进行管理。
[0012]在一个优选地实施方式中，所述学习统计与分析模块记录学生的学习轨迹，通过列表、柱形图、雷达图以及路径图多种形式全方位反馈学生学习的每个环节，同时实现对班级均分、班级分项均分以及分项分数分布等进行统计，为进一步优化平台模块提升教学质量提供数据支持。
[0013]在一个优选地实施方式中，所述虚拟交互模块通过VR眼睛对生成好的虚拟人体进行三维场景的立体展示，学生通过触觉数据手套在交互过程中的虚拟弹力以及摩擦力，触觉数据手套在手套表面通过虚拟器械作用在模型表面的反作用力实现感知，完成左右手的
仿真反馈，听觉通道实时提供声音反馈，通过统一的数据连接串口实现视觉、听觉以及触觉的同步反馈，通过空间定位技术实时的检测数据回路中人肢体的位置和指向，将教师教学的相关课程项目进行接收，接收的对应项目信息在互动情景架构内通过三维投影的方式对三维演示影像进行操作演示，包括：互动情景架构通过3D建模、虚拟现实、增强现实、仿真技术对临床医学中的多元要素进行真实刻画和描述建模，得到对应的虚拟模型，将三维演示影像投影在虚拟模型内。
[0014]在一个优选地实施方式中，互动学习模块老师登陆互动学习平台的管理员客户端，对学习内容、考试试题进行设置，学生利用手机或平板电脑下载微信，关注互动学习平台的公众号，第一次登陆互动学习平台时，使用学号姓名信息注册，进入互动学习平台的教学目本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于WEB3D的医学仿真培训考试系统，其特征在于：包括数据采集模块、数据预处理模块、虚拟人体构建模块、用户与权限管理模块、学习统计与分析模块、虚拟交互模块以及互动学习模块；所述数据采集模块利用高精度的三维扫描设备对软组织器官进行扫描采集，对人体的解剖图像进行分割以及三维重建，将采集的图像数据存放在公共的云存储空间中；所述数据预处理模块对所述数据采集模块中的图像数据进行区域分割、边缘分割以及阈值分割的处理；所述人体构建模块以三维虚拟人体的空间定位为基础，将人体各主要器官在虚拟人体中的空间位置以特定的矩阵来描述构建虚拟的人体数学模型；所述用户与权限管理模块定义学生、教师以及平台管理员在教学场景中的权限；所述学习统计与分析模块通过列表、柱形图、雷达图以及路径图的形式反馈学生学习的每个环节；所述虚拟交互模块通过VR眼睛对生成好的虚拟人体进行三维场景的立体展示，通过统一的数据连接串口实现视觉、听觉以及触觉的同步反馈；所述互动学习模块老师登陆互动学习平台的管理员客户端，对学习内容、考试试题进行设置，学生能够通过微信扫码功能，扫描标本的数字识别码，获得该标本的教学内容和自测试题。2.根据权利要求1所述的一种基于WEB3D的医学仿真培训考试系统，其特征在于：数据采集模块利用三维扫描设备对软组织器官扫描，通过逆向工程进行三维重建，对模拟病人的信息进行登记，对模拟病人的软组织器官图像进行采集，对模拟病人的信息进行登记，对数字人断层解剖图像的支气管进行分割并三维重建，根据管腔和管壁颜色的色差进行了分割，将采集的图像数据存放在公共的云存储空间中。3.根据权利要求1所述的一种基于WEB3D的医学仿真培训考试系统，其特征在于：将初始格式的图像转为通用格式，就是在读取CT图像的原始数据后，调整窗宽窗位，显示出目标器官轮廓，之后进行去噪处理第二，进行图像分割，将图像中符合模型条件的分割出来，常用方法有区域分割、边缘分割以及阈值分割，进行三维重建。4.根据权利要求1所述的一种基于WEB3D的医学仿真培训考试系统，其特征在于：以三维虚拟人体的空间定位为基础，将人体各主要器官在虚拟人体中的空间位置以特定的矩阵来描述，以心脏的空间位置为例，心脏N
i
(i＝1,2,...n)的空间位置由以下矩阵来表示：式中，n表示主要器官的数量，x
i1
、x
i2
分别表示心脏在x轴向所占空间位置的上下界，y
i1
、y
i2
分别表示心脏在y轴向所占空间位置的上下界，将n个器官的每一个矩阵都建立起来。5.根据权利要求4所述的一种基于WEB3D的医学仿真培训考试系统，其特征在于：肝脏表面的每一点(x,y)都对应着一个声阻R，对于健康的肝脏，在内部没有血管的表面点，这些声阻值与肝脏的厚度成正比，在特征点的选取时考虑到了血管周围的点，这个数学模型能够表示为二元函数：R＝f
Z
(x,y)，数学模型能够表示为：R
y
＝f
y
(x,z),以特征点为依据，通过
多元函数逼近的算法能够建立起虚拟的人体数学模型。6.根据权利要求1所述的一种基于WEB3D...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴彬彬，朱文娟，
申请(专利权)人：南京冰川智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：