[发明专利]一种用于全髋关节置换手术的虚拟学习方法

权利要求书

1.一种用于全髋关节置换手术的虚拟学习方法，其特征在于，首先系统初始化，建立输入端与控制器之间的通信连接，并在实时虚拟场景中完成力反馈装置与控制器的映射；在操作过程中，输入端以三维图形输入的控制方式与虚拟场景中的手术器械模型进行交互，并在同时让操作者通过图像反馈及时看到训练画面，并在训练过程中配备关键信息提示；

具体过程如下：

S1、连接力反馈设备和控制器；

S2、在Unity5.2.3或以上的版本安装“Unity 5 Haptic Plugin for GeomagicOpenHaptics3.3”与力反馈设备进行通讯；

S3、调用“Haptic Plugin for Geomagic OpenHaptics3.3”的编程接口获取力反馈设备的相关参数；

S4、通过基于3D图形输入实现力反馈设备与Unity中设置的虚拟设备完成实时交互；

S5、选择姿态角输入方式与设备完成数据交流；

S6、对插件的工作空间、工作模式进行初始化；

S7、根据相机的位置不断更新工作空间,并将虚拟力反馈设备与获取的数值完成实时通讯联系起来；

S8、建立虚拟场景中的骨头模型；

S9、创建虚拟场景中手术场景和手术器械；

S10、设置训练对象模型上虚拟关键点；

S11、设计图像反馈信息；

S12、设计相机调焦功能；

S13、开始训练以及评估；

所述步骤S3中，编程接口分为Haptic Device API和Haptic Library API 两部分；

其中，Haptic Device API提供设备的底层接口,通过回调函数直接访问设备状态查询表中的各种设备的实时参数；

Haptic Library提供上层接口，在运行过程中，上位机程序通过编程接口,以1000hz的频率获取力反馈设备包含位置、姿态、关节角、末端速度、关节角速度在内的信息，并持续不断将信息发送给控制器实现闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于全髋关节置换手术的虚拟学习方法，其特征在于，所述步骤S5，在基于3D图形输入与力反馈通讯过程中，通过插件提供的“hdInitDevice”函数完成设备初始化，其中默认参数为“HD_DEFAULT_DEVICE”；然后利用“hdGetCurrentDevice”函数找到当前设备以及“hdGetDoublev”回调函数读取设备参数，其中参数包括当前平动位置信息、当前平动速度与加速度信息和当前姿态角四种；其中“hdGetDoublev”的调用形式为“(参数名，返回值类型)”；接着使用“hdBeginFrame”和“hdEndFrame”作为数据访问的起点和终点以保证访问的一致性，从而实现力反馈设备与控制器的数据同步更新；在测试中，对于包括平动的位置、速度与加速度在内的信息直接通过Haptic Device API提供的访问接口读取。

3.根据权利要求2所述的一种用于全髋关节置换手术的虚拟学习方法，其特征在于，对于通过姿态角信息的获取，通过Haptic Device API访问接口预先得到16元末端姿态数组，然后转换到等效轴角坐标系中各个轴的速度信息；以等效轴角坐标系表示法描述的16元末端姿态数组如下式(1)所示：

其中，R_K(θ)为单位矩阵，矩阵的元素称为16元，每一个用t[]表示，K为当前姿态相对于基坐标系的姿态角，通过差分得到姿态角在x，y，z三个方向的速度信息；

由(1)可得式(2)和式(3)：

θ为相应绕着坐标轴的旋转角度；