[发明专利]基于实时位姿捕捉的手术仿真系统和方法及图形渲染模块

说明书

技术领域

本发明涉及一种虚拟手术仿真系统。特别是涉及一种用于医学教学和实 践培训练习的基于实时位姿捕捉的手术仿真系统的方法及图形渲染模块。

背景技术

现代科学技术的进步，特别是计算机技术的发展和广发应用，为医学技 能训练领域带来了新的契机。传统的医学技能培训中，医生要经过长时间 的系统的学习和训练才能熟练掌握，通常情况下是在尸体和活体动物上进 行。这种传统的方法存在很多弊端也不符合国际人道主义的惯例。一方面， 在尸体上进行训练时由于尸体经过防腐处理，尸体组织器官都有组织结构 和位置上的变化，医生也无法获得病人语言或是肢体反应；在活体上进行 时，由于活体组织结构与人体的差别较大，医生也无法得到好的训练；另 一方面，传统培训中的尸体或活体大都只能用一次，无法重复使用，训练 成本很高。

目前医学培训领域应用较多的是美国3DImmersion公司的VIV以及 Sensible公司的PHANTOM，这些公司的力反馈系统价格昂贵、结构复杂、 不易维修，而且在操作上与实际手术过程有较大区别，因而难以达到训练 效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过位姿捕捉系统将实体模 型和虚拟环境联系起来，实时采集手术器械在空间运动的位姿信息，并及 时反馈给虚拟环境，具有精度高、反应快的基于实时位姿捕捉的手术仿真 系统的方法及图形渲染模块。

本发明所采用的技术方案是：一种用于基于实时位姿捕捉技术的虚拟 手术仿真系统的方法，包括如下阶段：

1)读入手术器械碰撞模型新的位姿信息并存储；

2)与前一次读入的手术器械碰撞模型的位姿进行比较，判断是否有变 化，有变化进入下一阶段，否则返回第1阶段；

3)判断手术器械是否与实体模型接触，有接触记录与实体模型的碰撞 点和时间，否则返回第1阶段；

所述的判断手术器械是否与实体模型接触，有接触记录与实体模型的 碰撞点和时间，否则返回第1阶段包括如下步骤：

1)判断手术器械是否与人体模型接触，有接触进入第2步骤，否则返 回第1阶段；

(2)记录与人体模型的碰撞点和时间，然后分别进入第3、5步骤；

(3)判断是否与肌肉模型接触，有接触进入第4步骤，否则返回第1 阶段；

(4)记录与肌肉模型的碰撞点和时间，然后进入第7步骤；

(5)判断是否与神经模型接触，有接触进入第6步骤，同时播放音频， 否则返回第1阶段；

(6)记录与神经模型的碰撞点和时间，然后进入第7步骤；

(7)判断是否与骨骼模型接触，有接触进入第8步骤，否则返回第1 阶段；

(8)记录与骨骼模型的碰撞点和时间，然后进入第4阶段。

4)重置手术器械碰撞模型。

基于实时位姿捕捉技术的虚拟手术仿真系统，包括有实体模型，手术 器械，位姿捕捉系统，计算机以及显示器，其中，所述的手术器械分别对 应实体模型和位姿捕捉系统，位姿捕捉系统的输出连接计算机，计算机连 接显示器；所述的位姿捕捉系统，包括磁场发生器、位姿传感器、由信号 调理电路、数据采集卡和位姿转换模块构成的位姿捕捉器，位姿捕捉系统的 磁场发生器有三个相互垂直的线圈，接通交流电后在实体模型所在的空间 产生稳定的磁场，传感器上的磁感应元件根据磁场强度和空间位置不同发 出不同的信号，信号通过调理电路进入数据采集卡，从而将信号转化为空 间位置和姿态信息，位姿转换模块将数据采集卡输出的实体空间的位置和 姿态信息通过空间变换原理变换为虚拟空间中的位置和姿态信息，使手术 器械和手术器械模型分别保持与实体模型和虚拟环境中三维模型一致的空 间运动关系。

本发明的基于实时位姿捕捉的手术仿真系统的方法及图形渲染模块， 通过位姿捕捉系统将实体模型和虚拟环境联系起来，实时采集手术器械在 空间运动的位姿信息，并及时反馈给虚拟环境，具有精度高、反应快的特 点。将三维模型和材质导入图形渲染模块，建立了手术的虚拟环境，具有 友好的人机接口，互动性强。这种基于实时位姿捕捉技术的虚实手术仿真 系统为操作者真实地再现了手术现场，操作者在这样的虚拟环境中进行手 术训练，能获得很好的触觉、视觉和听觉上的训练。

附图说明

图1是本发明的结构构成框图；