一種外科手術虛擬仿真方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種外科手術虛擬仿真方法及系統，該方法包括：實時獲取用戶操作的設備手柄的位置姿態參數；設備手柄用于控制虛擬手術器械；根據位置姿態參數，判斷虛擬手術器械是否在對虛擬人體組織進行操作；如果是，利用力學分析算法對位置姿態參數的變化情況進行分析，得到虛擬人體組織針對虛擬手術器械的操作的反饋力；將反饋力傳遞至設備手柄，以使用戶通過設備手柄感知到反饋力。可見，本發明能夠逼真地模擬出人體組織與手術器械的受力狀態，并將這種受力狀態反映至用戶操作的設備手柄，使醫生在培訓過程中感知到手術操作的反饋力，從而使培訓更接近現實中的手術過程，進而減少錯誤的推斷，從而保證了臨床手術質量。
【專利說明】
一種外科手術虛擬仿真方法及系統
技術領域
[0001]本發明涉及力學仿真技術領域，特別是涉及一種外科手術虛擬仿真方法及系統。
【背景技術】
[0002]隨著社會經濟和科學技術的不斷發展，為了能夠讓醫生在臨床手術前積累盡可能多的手術操作經驗，人們提出了外科手術虛擬培訓系統，特別是針對微創外科手術。在現有技術中，外科手術虛擬培訓系統中的外科手術虛擬仿真系統能夠根據真實的手術場景仿真出虛擬的手術環境中，在手術仿真環境中，醫生可以進行類似真實手術的操作，以此來積累手術操作經驗。
[0003]但是，基于現有的仿真系統，醫生在外科手術虛擬培訓的過程中只能憑借視力觀察來推斷手術中的狀態，不能感知到手術操作的反饋力，這樣可能會得出錯誤的推斷，對以后進入臨床手術時，也不利于手術的進行，甚至有可能因為錯誤的推斷而導致病人康復延緩、引起其它病變。比如:在進行傷口線縫合的臨床手術過程中，由于培訓的過程中缺乏反饋力的感知，很可能出現拉線力度過小或過大的情況，而拉線力度過小會導致傷口愈合較慢，拉線力度過大會過度傷害人體組織，均會影響病人的術后康復。
【發明內容】
[0004]有鑒于此，本發明提供了一種外科手術虛擬仿真方法及系統，以使醫生在培訓過程中感知到手術操作的反饋力，進而減少錯誤的推斷，從而保證臨床手術質量。
[0005]為解決上述技術問題，本發明提供一種外科手術虛擬仿真方法，該方法包括:
[0006]實時獲取用戶操作的設備手柄的位置姿態參數;所述設備手柄用于控制虛擬手術器械；
[0007]根據所述位置姿態參數，判斷所述虛擬手術器械是否在對虛擬人體組織進行操作；
[0008]當判定所述虛擬手術器械在對所述虛擬人體組織進行操作時，利用力學分析算法對所述位置姿態參數的變化情況進行分析，得到所述虛擬人體組織針對所述虛擬手術器械的操作的反饋力；
[0009]將所述反饋力傳遞至所述設備手柄，以使所述用戶通過所述設備手柄感知到所述反饋力。
[0010]上述方法中，優選地，所述根據所述位置姿態參數，判斷所述虛擬手術器械是否在對虛擬人體組織進行操作，包括:
[0011 ]根據所述位置姿態參數，確定所述虛擬手術器械在虛擬手術環境中的位置；
[0012]判斷所述虛擬手術器械的位置是否處于所述虛擬人體組織的范圍內；
[0013]如果是，則判定所述虛擬手術器械在對所述虛擬人體組織進行操作;如果否，則判定所述虛擬手術器械沒有在對所述虛擬人體組織進行操作。
[0014]上述方法中，優選地，所述將所述反饋力傳遞至所述設備手柄，包括:
[0015]將所述反饋力通過力反饋設備傳遞至所述設備手柄，以使所述用戶通過所述設備手柄感知到所述反饋力。。
[0016]上述方法中，優選地，在所述實時獲取用戶操作的設備手柄的位置姿態參數之前，還包括:
[0017]初始化所述位置姿態參數。
[0018]本發明還提供了一種外科手術虛擬仿真系統，該系統包括:
[0019]參數獲取單元，用于實時獲取用戶操作的設備手柄的位置姿態參數;所述設備手柄用于控制虛擬手術器械；
[0020]操作判斷單元，用于根據所述位置姿態參數，判斷所述虛擬手術器械是否在對虛擬人體組織進行操作；
[0021]反饋力確定單元，用于當判定所述虛擬手術器械在對所述虛擬人體組織進行操作時，利用力學分析算法對所述位置姿態參數的變化情況進行分析，得到所述虛擬人體組織針對所述虛擬手術器械的操作的反饋力；
[0022]反饋力傳遞單元，用于將所述反饋力傳遞至所述設備手柄，以使所述用戶通過所述設備手柄感知到所述反饋力。
[0023]上述系統中，優選地，所述操作判斷單元包括:
[0024]位置確定子單元，用于根據所述位置姿態參數，確定所述虛擬手術器械在虛擬手術環境中的位置；
[0025]判斷子單元，用于判斷所述虛擬手術器械的位置是否處于所述虛擬人體組織的范圍內；如果是，則判定所述虛擬手術器械在對所述虛擬人體組織進行操作;如果否，則判定所述虛擬手術器械沒有在對所述虛擬人體組織進行操作。
[0026]上述系統中，優選地，該系統還包括:
[0027]力反饋設備，用于將所述反饋力傳遞至所述設備手柄，以使所述用戶通過所述設備手柄感知到所述反饋力。
[0028]上述系統中，優選地，該系統還包括:初始化單元，用于在所述實時獲取用戶操作的設備手柄的位置姿態參數之前，初始化所述位置姿態參數。
[0029]以上本發明提供的一種外科手術虛擬仿真方法及系統中，根據用戶操作的設備手柄的位置姿態參數，判斷虛擬手術器械是否在對虛擬人體組織進行操作;如果是，則利用力學分析算法對所述位置姿態參數的變化情況進行分析，得到虛擬人體組織針對虛擬手術器械的操作的反饋力；最后將這個反饋力傳遞至設備手柄，以使用戶通過設備手柄感知到反饋力。
[0030]可見，在用戶(即操作醫生)進行虛擬培訓過程中，本發明能夠逼真地模擬出人體組織與手術器械的受力狀態，然后將這種受力狀態反映至用戶操作的設備手柄，使醫生在培訓過程中感知到手術操作的反饋力，從而獲得更加逼真的手術培訓效果，培訓更接近現實中的手術過程，進而減少錯誤的推斷，從而保證了臨床手術質量。同時，在保證臨床手術質量的基礎上，進一步也能改善病人術后康復程度，減少病人痛苦，縮短康復時間以及提高病人的滿意度。
【附圖說明】
[0031]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
[0032]圖1為本發明實施例提供的一種外科手術虛擬仿真方法的流程圖；
[0033]圖2為本發明實施例提供的一種硬件結構場景圖；
[0034]圖3為本發明實施例提供的一種刀口縫合手術培訓的場景圖；
[0035]圖4為本發明實施例提供的一種外科手術虛擬仿真系統的結構框圖示意圖。
【具體實施方式】
[0036]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0037]本發明的核心是提供一種外科手術虛擬仿真方法及系統，以使醫生在培訓過程中感知到手術操作的反饋力，進而減少錯誤的推斷，從而保證臨床手術質量。
[0038]為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細說明。
[0039]參考圖1，圖1示出了本發明實施例提供的一種外科手術虛擬仿真方法的流程圖，該方法具體可以包括如下步驟:
[0040]步驟S100、實時獲取用戶操作的設備手柄的位置姿態參數。
[0041]本發明實施例方法的執行主體為外科手術虛擬仿真系統(簡稱仿真系統)，在實際應用中，該仿真系統主要應用于外科手術虛擬培訓系統(簡稱培訓系統)，為了便于本領域技術人員更有場景性地理解本發明技術方案，本發明以下內容在需要時會以培訓系統為例進行說明。
[0042]本發明中，仿真系統通過對人體組織、手術器械等其他手術會涉及到的部件進行仿真建模，以此形成虛擬手術環境，可以理解的是，這個虛擬手術環境至少包括虛擬人體組織和虛擬手術器械；同時，為了建立虛擬手術環境與用戶(即操作醫生)的聯系，本發明提供了用于控制虛擬手術環境中虛擬手術器械的設備手柄，即用戶通過操作設備手柄來控制虛擬手術器械，進而操作虛擬手術器械來對虛擬人體組織進行手術。
[0043]對于設備手柄的位置姿態參數，其主要表征設備手柄所處的位置狀態，在具體實施過程中，用戶對設備手柄進行不同的操作，會有不同的位置姿態參數產生，通過它的變化情況可以確定用戶對設備手柄進行的操作具體是什么，進而也就能確定用戶想讓虛擬手術器械對虛擬人體組織進行怎樣的手術操作，這樣在整個虛擬手術環境中對這個手術操作進行同步的顯示和操作，以此來達到對用戶進行虛擬手術體驗的目的。
[0044]在具體實施過程中，先啟動仿真系統，然后對整個虛擬手術環境進行初始化，即恢復設備手柄的位置姿態為預設的初始狀態，也就是初始化設備手柄的位置姿態參數；同時，分別將虛擬人體組織和虛擬手術器械放置在虛擬手術環境中預設的初始位置。完成初始化過程后，仿真系統實時獲取用戶操作的設備手柄的位置姿態參數。
[0045]步驟S101、根據位置姿態參數，判斷虛擬手術器械是否在對虛擬人體組織進行操作；如果是，則進入步驟S102，如果否，則返回執行下一次判斷虛擬手術器械是否在對虛擬人體組織進行操作。
[0046]具體地，在獲取到設備手柄的位置姿態參數之后，結合運動學仿真算法，根據位置姿態參數來確定虛擬手術器械在虛擬手術環境中的位置，在這個過程中，會根據用戶對設備手柄的操作將虛擬手術器械在虛擬手術環境中同步更新至相應的位置。
[0047]在確定虛擬手術器械的位置后，判斷虛擬手術器械的位置是否處于虛擬人體組織的范圍內，也就是，判斷虛擬手術器械是否接觸到虛擬人體組織；當虛擬手術器械接觸到虛擬人體組織時，判定虛擬手術器械在對虛擬人體組織進行操作；當然，當虛擬手術器械沒有接觸到虛擬人體組織時，認為虛擬手術器械沒有在對虛擬人體組織進行操作。
[0048]步驟S102、利用力學分析算法對位置姿態參數的變化情況進行分析，得到虛擬人體組織針對虛擬手術器械的操作的反饋力；
[0049]本發明中，特別地，當虛擬手術器械接觸到虛擬人體組織時，在仿真環境物理層就會產生仿真力，即檢測用戶操作設備手柄產生的位置姿態參數的變化情況，根據這個變化情況可以確定虛擬手術器械對虛擬人體組織的操作力度，這時，模擬現實中人體組織對這個操作及操作力度的反饋，結合力學分析算法確定虛擬人體組織對該操作及操作力度的反饋力。
[0050]步驟S103、將反饋力傳遞至設備手柄，以使用戶通過設備手柄感知到反饋力。
[0051]本發明中，在確定虛擬人體組織對該操作及操作力度的反饋力后，結合力學分析算法將反饋力分解給力反饋設備，由反饋設備將這個反饋力傳遞至設備手柄，由于用戶是手握操作著設備手柄的，因此用戶可以在設備手柄上感知到那個反饋力。實際上，同時，可以理解的是，操作醫生操控設備手柄，可以通過這個力反饋設備將操控力傳遞至虛擬手術環境，對虛擬手術環境產生力的影響，可見，本發明仿真系統在使用過程中體現在虛擬手術環境中的虛擬人體組織與虛擬手術器械的物理層與視覺層上，即用戶可以體驗到在手術中人體組織與手術器械的受力情況，從而獲得更加逼真的手術培訓效果，培訓更接近現實中的手術過程，為臨床手術積累寶貴的經驗。
[0052]參考圖2，示出了一種硬件結構場景圖，圖中，計算機4(運行有本發明仿真系統)與力反饋設備2、力反饋設備6分別通過通訊線纜3、通訊線纜5鏈接在一起，組成硬件系統。在培訓的過程中，操作醫生通過設備手柄1、設備手柄7感知虛擬手術環境中反饋力的存在。
[0053]進一步地，以刀口縫合手術培訓為例，結合圖2和圖3示出的刀口縫合手術培訓的場景圖，操作醫生左手、右手分別持設備手柄1、設備手柄7，控制虛擬手術環境中的虛擬手術器械15、虛擬手術器械16做刀口縫合手術培訓，虛擬手術器械16持縫合針18穿入虛擬人體組織的過程中(用手術縫合線17對手術刀口 19進行縫合)，操作醫生通過設備手柄7感受到縫合針18穿入虛擬人體組織的受力變化，虛擬手術器械15將縫合針18從虛擬人體組織拔出的過程中，操作醫生通過設備手柄I感受到縫合針18從虛擬人體組織拔出的受力變化。在刀口縫合手術培訓中，操作醫生可以體驗到最佳縫合受力情況，更接近現實中的手術過程，為臨床手術積累寶貴經驗。
[0054]可見，在用戶(即操作醫生)進行虛擬培訓過程中，本發明能夠逼真地模擬出現實中人體組織與手術器械的受力狀態，然后將這種受力狀態反映至用戶操作的設備手柄，使操作醫生在培訓過程中感知到手術操作的反饋力，從而獲得更加逼真的手術培訓效果，培訓更接近現實中的手術過程，進而減少錯誤的推斷，從而保證了臨床手術質量。同時，在保證臨床手術質量的基礎上，進一步也能改善病人術后康復程度，減少病人痛苦，縮短康復時間以及提高病人的滿意度。
[0055]基于上述本發明實施例提供的外科手術虛擬仿真方法，本發明實施例還提供了一種外科手術虛擬仿真系統，參考圖4，該仿真系統400可以包括如下內容:
[0056]參數獲取單元401，用于實時獲取用戶操作的設備手柄的位置姿態參數;設備手柄用于控制虛擬手術器械；
[0057]操作判斷單元402，用于根據位置姿態參數，判斷虛擬手術器械是否在對虛擬人體組織進行操作；
[0058]反饋力確定單元403，用于當判定虛擬手術器械在對虛擬人體組織進行操作時，利用力學分析算法對位置姿態參數的變化情況進行分析，得到虛擬人體組織針對虛擬手術器械的操作的反饋力；
[0059]反饋力傳遞單元404，用于將反饋力通過力反饋設備傳遞至設備手柄，以使用戶通過設備手柄感知到反饋力。
[0000]本發明中，上述操作判斷單元402具體可以包括位置確定子單元和判斷子單元，其中:
[0061]位置確定子單元，用于根據位置姿態參數，確定虛擬手術器械在虛擬手術環境中的位置；
[0062]判斷子單元，用于判斷虛擬手術器械的位置是否處于虛擬人體組織的范圍內；如果是，則判定虛擬手術器械在對虛擬人體組織進行操作;如果否，則判定虛擬手術器械沒有在對虛擬人體組織進行操作。
[0063]本發明中，本發明仿真系統400具體還可以包括力反饋設備，用于將反饋力傳遞至設備手柄，以使用戶通過設備手柄感知到反饋力。
[0064]另外，本發明仿真系統400具體還可以包括初始化單元，用于在實時獲取用戶操作的設備手柄的位置姿態參數之前，初始化位置姿態參數。
[0065]需要說明的是，本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其它實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。對于系統類實施例而言，由于其與方法實施例基本相似，所以描述得比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。
[0066]以上對本發明所提供的一種外科手術虛擬仿真方法及系統進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。
【主權項】
1.一種外科手術虛擬仿真方法，其特征在于，該方法包括: 實時獲取用戶操作的設備手柄的位置姿態參數;所述設備手柄用于控制虛擬手術器械； 根據所述位置姿態參數，判斷所述虛擬手術器械是否在對虛擬人體組織進行操作； 當判定所述虛擬手術器械在對所述虛擬人體組織進行操作時，利用力學分析算法對所述位置姿態參數的變化情況進行分析，得到所述虛擬人體組織針對所述虛擬手術器械的操作的反饋力； 將所述反饋力傳遞至所述設備手柄，以使所述用戶通過所述設備手柄感知到所述反饋力。2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據所述位置姿態參數，判斷所述虛擬手術器械是否在對虛擬人體組織進行操作，包括: 根據所述位置姿態參數，確定所述虛擬手術器械在虛擬手術環境中的位置； 判斷所述虛擬手術器械的位置是否處于所述虛擬人體組織的范圍內； 如果是，則判定所述虛擬手術器械在對所述虛擬人體組織進行操作；如果否，則判定所述虛擬手術器械沒有在對所述虛擬人體組織進行操作。3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述將所述反饋力傳遞至所述設備手柄，包括: 將所述反饋力通過力反饋設備傳遞至所述設備手柄，以使所述用戶通過所述設備手柄感知到所述反饋力。4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，在所述實時獲取用戶操作的設備手柄的位置姿態參數之前，還包括: 初始化所述位置姿態參數。5.一種外科手術虛擬仿真系統，其特征在于，該系統包括: 參數獲取單元，用于實時獲取用戶操作的設備手柄的位置姿態參數;所述設備手柄用于控制虛擬手術器械； 操作判斷單元，用于根據所述位置姿態參數，判斷所述虛擬手術器械是否在對虛擬人體組織進行操作； 反饋力確定單元，用于當判定所述虛擬手術器械在對所述虛擬人體組織進行操作時，利用力學分析算法對所述位置姿態參數的變化情況進行分析，得到所述虛擬人體組織針對所述虛擬手術器械的操作的反饋力； 反饋力傳遞單元，用于將所述反饋力傳遞至所述設備手柄，以使所述用戶通過所述設備手柄感知到所述反饋力。6.如權利要求5所述的系統，其特征在于，所述操作判斷單元包括: 位置確定子單元，用于根據所述位置姿態參數，確定所述虛擬手術器械在虛擬手術環境中的位置； 判斷子單元，用于判斷所述虛擬手術器械的位置是否處于所述虛擬人體組織的范圍內；如果是，則判定所述虛擬手術器械在對所述虛擬人體組織進行操作；如果否，則判定所述虛擬手術器械沒有在對所述虛擬人體組織進行操作。7.如權利要求5或6所述的系統，其特征在于，該系統還包括: 力反饋設備，用于將所述反饋力傳遞至所述設備手柄，以使所述用戶通過所述設備手柄感知到所述反饋力。8.如權利要求7所述的系統，其特征在于，該系統還包括:初始化單元，用于在所述實時獲取用戶操作的設備手柄的位置姿態參數之前，初始化所述位置姿態參數。
【文檔編號】G09B9/00GK105931517SQ201610436481
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月17日
【發明人】于文杰, 張德成, 王朕青, 梁東, 李彥俊
【申請人】重慶金山科技（集團）有限公司