[实用新型]内窥镜微创手术模拟训练系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及计算机仿真技术，特别涉及一种内窥镜微创手术模拟训练系统。

背景技术

内窥镜微创手术模拟训练系统主要通过3D平台系统与操作台交互，操作者通过监视器观察虚拟手术环境待手术的器官及周边组织的位置、形态、病灶等，在操作台上操作手术器械，实现手术的模拟训练。

专利号为200820030701.X的实用新型专利公开了一种“内窥镜微创手术仿真系统”，包括手术器械模拟器、空间定位传感器、数据采集及发送通信硬件、数据处理中心服务器，显示装置；空间定位传感器固定于手术器械模拟器上，手术器械模拟器的空间位移经空间定位传感器转换成电信号，经过数据采集及发送通信硬件处理后发送至数据处理中心服务器，数据处理中心服务器对数据处理后产生三维仿真图像送至显示装置显示。这种仿真系统克服了现有技术内窥镜手术训练不够真实，训练效果不理想的缺陷，具有训练逼真、功能多样、成本低廉等优点。但该专利技术仍存在以下的缺点与不足：

1、没有力反馈和虚拟触觉效果，不能真实反映手术操作过程，仿真度有待提高。

2、该系统处理的是三维仿真图像，而不是三维仿真图形，这样仿真效果不会很逼真，图像是一整块，图形由点线面构成，能够进行复杂的效果模拟。

3、不支持网络训练，不支持通过局域网或互联网进行远程训练。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可提供力反馈及虚拟触觉效果，仿真度高，模拟训练效果好的内窥镜微创手术模拟训练系统。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：一种内窥镜微创手术模拟训练系统，包括操作台、数据接收处理设备、3D医学模型处理服务器、3D平台系统服务器、显示设备；所述数据接收处理设备用于实现力反馈及虚拟触觉，所述操作台与数据接收处理设备相连接，所述数据接收处理设备与3D平台系统服务器相连接，所述3D医学模型处理服务器亦与3D平台系统服务器相连接，3D平台系统服务器与显示设备相连接。

所述数据接收处理设备与3D平台系统服务器相连接，实现数据双向传输过程，即正向过程，由操作台来驱动虚拟环境中的器械运行；逆向过程，虚拟环境中的力通过力反馈驱动操作台产生反馈力的作用。

所述正向过程的基本流程是操作台的五个自由度的动作(上下、前后、左右、旋转、张开闭合)驱动伺服电机，换转化为电信号，由接口电路输出，经过模/数(A/D)转换器将模拟量转换为数字量，然后通过3D平台系统服务器控制虚拟环境中的医学器械运动。

所述逆向过程，即力反馈过程，是3D平台系统服务器输出的力反馈指令经数据接收处理设备(力反馈、虚拟触觉)输出，经过数/模(D/A)转换器将反馈力数字量转换为模拟量，并控制受控恒流源驱动伺服电机执行力反馈，伺服电机输出反馈力经齿轮变换、钢丝传动，由操作台的操作杆向操作者输出反馈力。

数据接收处理设备(力反馈、虚拟触觉)采用完全实时模式，避免了内窥镜微创手术模拟训练过程的操作和动作的延迟和跳动。

3D医学模型处理服务器与3D平台系统服务器相连，根据各种医学数据(CT、MRI等)构建3D医学模型，并通过3D平台系统服务器构建内窥镜微创手术虚拟环境，包括虚拟器械和虚拟器官等。

所述显示设备与3D平台系统服务器相连接，采用MFC框架和OpenGL标准实现内窥镜微创手术训练场景的可视化，并通过各种显示装置(如显示器、投影仪等)显示医学场景和内窥镜微创手术训练互动操作过程。

对于内窥镜微创手术训练场景的显示，所述显示设备需要考虑显卡的配置，显卡一般有Nvadia和ATM两种类型，对于显卡的选择，一般要考虑显存、全屏抗锯齿等。

由本系统实现的内窥镜微创手术模拟训练方法，包括下述步骤：

(一)内窥镜微创手术医学模型构建及编辑：根据人体组织器官解剖结构，利用各种医学素材构造医学模型，包括器官模型和器械模型，对医学模型进行编辑处理，以获得符合要求的模型。

(二)构建系统基础组件库：利用基础算法，如euler，euler_ordered，runge，runge_4thorder，quasi，quasi_ordered，bogus，FSA，FSAF、perlin noise等构建系统基础组件库。

(三)利用系统基础组件库构建核心算法，实现3D平台系统核心功能，如：几何模型和物理模型的构建、图形渲染、碰撞检测、力反馈、与操作台的数据通信、和数据库的数据交换等。