[发明专利]支持力觉交互的腰椎穿刺虚拟仿真与训练系统

说明书

技术领域

本发明设计了一种腰椎穿刺的虚拟仿真与训练系统，属于虚拟现实、系统仿真、医学信息技术的交叉应用领域。

背景技术

腰椎穿刺既可用于诊断又可用于治疗。腰椎穿刺技术也是医学教学的难点之一，要求医生具有很高的手术技巧、准确高效的手眼协作能力、以及大量严格的术前技能培训和实践，训练周期极长，要求实践能力极强。图1所示为腰椎穿刺的解剖示意图，穿刺针依次穿过皮肤、脂肪、棘上韧带、椎间韧带、黄韧带、硬脑脊膜的时候，因为每层组织弹性各不相同，因此产生对穿刺针不同的阻力，对操作者来说，会感受到阻力的增减变化。阻力的增减变化对操作者来说是一个提示，有经验的操作者可据此判断针尖所处位置。

综合目前的传统训练方式共有四种：捐献的尸体、人体模型、动物及病人；然而这些方式都存在各自明显的不足，比如捐献的尸体有限，而且软组织物理特性改变，训练的机会少；标本数量有限，成本昂贵；动物解剖环境和人体不同，训练环境不理想；在病人身上练习手术风险大，不易被病人所接受且具有不可重复性。在传统手术中，医生是根据从标本或书上获得的人体解剖知识，并结合临床经验制定手术方案的，并在自己大脑中进行术前的手术预演。这种方式的不足在于手术方案的质量取决于医生个体临床经验与技能；不利于事先发现整个手术过程中的问题；不利于医生之间相互学习、探讨。

随着计算机技术和微创手术的发展，数字化虚拟手术在医学领域中扮演着越来越重要的角色。利用虚拟现实技术，通过构建人体器官的数字模型，模拟人体组织的物理和生理特性，仿真手术场景和手术器械，医生可以沉浸于虚拟手术环境中，交互地体验和学习各种手术。

目前在医学临床教学中尚无针对脊椎穿刺术训练的工具，操作者很难学习、掌握腰椎穿刺技术的要领。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对背景技术存在的不足，提出一种支持力觉交互的腰椎穿刺虚拟仿真与训练系统，达到力觉感觉平稳、模拟效果逼真、能够满足腰椎穿刺手术仿真对实时性要求和精细作业的要求。

本发明为解决上述技术问题而采用以下技术方案：

一种支持力觉交互的腰椎穿刺虚拟仿真与训练系统，包括计算装置和力觉交互设备，在计算装置上连接有显示设备；其中，所述计算装置与力觉交互设备连接，用于将力觉交互设备检测到的使用者做出的动作信号传输至计算装置，计算装置将接收的信号带入预先设置的模型进行实时仿真计算，得到穿刺针作用力传输至力觉交互设备由使用者感知，同时根据仿真计算结果在显示设备上生成实时虚拟穿刺过程界面，从而实现腰椎穿刺虚拟仿真与训练。

进一步的，本发明的一种支持力觉交互的腰椎穿刺虚拟仿真与训练系统，所述计算装置包括离线模型构建单元、实时仿真计算单元；其中，

离线模型构建单元用于构建包含脊柱骨骼和软组织的人体躯干几何模型和有限元模型，并对有限元模型进行约减；

实时仿真计算单元包括：

躯干有限元模型变形计算模块，用于建立约减后的有限元模型的运动方程，在约减空间中对约减后的运动方程进行仿真，重建形变向量实现躯干有限元模型的变形，以及对有限元模型进行局部更新和采样；

力觉交互模块，用于根据使用者的动作信号计算出力觉信息并将其发送至力觉交互设备，同时读取力觉交互设备的操作手柄的位姿来更新虚拟穿刺针的位姿状态；

虚拟穿刺教学与训练模块，用于在虚拟穿刺过程中，为用户提供教学与训练。

进一步的，本发明的一种支持力觉交互的腰椎穿刺虚拟仿真与训练系统，力觉交互模块包含碰撞检测子模块、碰撞响应子模块，力觉渲染子模块，其中：

碰撞检测子模块，用于根据虚拟穿刺针和躯干各部分的相对位置进行碰撞检测；

碰撞响应子模块，用于根据碰撞检测的结果计算出虚拟穿刺针受到的阻力，把虚拟穿刺针施加给躯体软组织上的力作为输入，传送给躯干有限元模型变形计算模块，从而计算出躯干有限元模型变形后的形状和位移；

力觉渲染子模块，用于接受碰撞检测子模块与碰撞响应子模块发送来的力觉信息并将其发送至力觉交互设备，从而让操作者感受到虚拟穿刺产生的力反馈；同时，读取力觉交互设备的操作手柄的位姿，并根据此位姿信息更新虚拟环境中的虚拟穿刺针的位姿状态。

进一步的，本发明的一种支持力觉交互的腰椎穿刺虚拟仿真与训练系统，所述虚拟穿刺教学与训练模块是在虚拟穿刺过程中：提供穿刺点位置的高亮显示，穿刺方向的三维线段显示，穿刺针刺入的动画播放，同时以截面视图展示穿刺针在人体内部的位置，穿刺针运动轨迹显示，进行视觉引导。