支持力覺交互的腰椎穿刺虛擬仿真與訓練系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設計了一種腰椎穿刺的虛擬仿真與訓練系統(tǒng)，屬于虛擬現(xiàn)實、系統(tǒng)仿真、醫(yī) 學信息技術的交叉應用領域。
【背景技術】
[0002] 腰椎穿刺既可用于診斷又可用于治療。腰椎穿刺技術也是醫(yī)學教學的難點之一， 要求醫(yī)生具有很高的手術技巧、準確高效的手眼協(xié)作能力、以及大量嚴格的術前技能培訓 和實踐，訓練周期極長，要求實踐能力極強。圖1所示為腰椎穿刺的解剖示意圖，穿刺針依 次穿過皮膚、脂肪、棘上韌帶、椎間韌帶、黃韌帶、硬腦脊膜的時候，因為每層組織彈性各不 相同，因此產生對穿刺針不同的阻力，對操作者來說，會感受到阻力的增減變化。阻力的增 減變化對操作者來說是一個提示，有經驗的操作者可據(jù)此判斷針尖所處位置。
[0003] 綜合目前的傳統(tǒng)訓練方式共有四種：捐獻的尸體、人體模型、動物及病人；然而這 些方式都存在各自明顯的不足，比如捐獻的尸體有限，而且軟組織物理特性改變，訓練的機 會少；標本數(shù)量有限，成本昂貴；動物解剖環(huán)境和人體不同，訓練環(huán)境不理想；在病人身上 練習手術風險大，不易被病人所接受且具有不可重復性。在傳統(tǒng)手術中，醫(yī)生是根據(jù)從標本 或書上獲得的人體解剖知識，并結合臨床經驗制定手術方案的，并在自己大腦中進行術前 的手術預演。這種方式的不足在于手術方案的質量取決于醫(yī)生個體臨床經驗與技能；不利 于事先發(fā)現(xiàn)整個手術過程中的問題；不利于醫(yī)生之間相互學習、探討。
[0004] 隨著計算機技術和微創(chuàng)手術的發(fā)展，數(shù)字化虛擬手術在醫(yī)學領域中扮演著越來越 重要的角色。利用虛擬現(xiàn)實技術，通過構建人體器官的數(shù)字模型，模擬人體組織的物理和生 理特性，仿真手術場景和手術器械，醫(yī)生可以沉浸于虛擬手術環(huán)境中，交互地體驗和學習各 種手術。
[0005] 目前在醫(yī)學臨床教學中尚無針對脊椎穿刺術訓練的工具，操作者很難學習、掌握 腰椎穿刺技術的要領。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術問題是，針對【背景技術】存在的不足，提出一種支持力覺交 互的腰椎穿刺虛擬仿真與訓練系統(tǒng)，達到力覺感覺平穩(wěn)、模擬效果逼真、能夠滿足腰椎穿刺 手術仿真對實時性要求和精細作業(yè)的要求。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術問題而采用以下技術方案：
[0008] -種支持力覺交互的腰椎穿刺虛擬仿真與訓練系統(tǒng)，包括計算裝置和力覺交互設 備，在計算裝置上連接有顯示設備；其中，所述計算裝置與力覺交互設備連接，用于將力覺 交互設備檢測到的使用者做出的動作信號傳輸至計算裝置，計算裝置將接收的信號帶入預 先設置的模型進行實時仿真計算，得到穿刺針作用力傳輸至力覺交互設備由使用者感知， 同時根據(jù)仿真計算結果在顯示設備上生成實時虛擬穿刺過程界面，從而實現(xiàn)腰椎穿刺虛擬 仿真與訓練。
[0009] 進一步的，本發(fā)明的一種支持力覺交互的腰椎穿刺虛擬仿真與訓練系統(tǒng)，所述計 算裝置包括離線模型構建單元、實時仿真計算單元；其中，
[0010] 離線模型構建單元用于構建包含脊柱骨骼和軟組織的人體軀干幾何模型和有限 元模型，并對有限元模型進行約減；
[0011] 實時仿真計算單元包括：
[0012] 軀干有限元模型變形計算模塊，用于建立約減后的有限元模型的運動方程，在約 減空間中對約減后的運動方程進行仿真，重建形變向量實現(xiàn)軀干有限元模型的變形，以及 對有限元模型進行局部更新和采樣；
[0013] 力覺交互模塊，用于根據(jù)使用者的動作信號計算出力覺信息并將其發(fā)送至力覺交 互設備，同時讀取力覺交互設備的操作手柄的位姿來更新虛擬穿刺針的位姿狀態(tài)；
[0014] 虛擬穿刺教學與訓練模塊，用于在虛擬穿刺過程中，為用戶提供教學與訓練。
[0015] 進一步的，本發(fā)明的一種支持力覺交互的腰椎穿刺虛擬仿真與訓練系統(tǒng)，力覺交 互模塊包含碰撞檢測子模塊、碰撞響應子模塊，力覺渲染子模塊，其中：
[0016] 碰撞檢測子模塊，用于根據(jù)虛擬穿刺針和軀干各部分的相對位置進行碰撞檢測；
[0017] 碰撞響應子模塊，用于根據(jù)碰撞檢測的結果計算出虛擬穿刺針受到的阻力，把虛 擬穿刺針施加給軀體軟組織上的力作為輸入，傳送給軀干有限元模型變形計算模塊，從而 計算出軀干有限元模型變形后的形狀和位移；
[0018] 力覺渲染子模塊，用于接受碰撞檢測子模塊與碰撞響應子模塊發(fā)送來的力覺信息 并將其發(fā)送至力覺交互設備，從而讓操作者感受到虛擬穿刺產生的力反饋；同時，讀取力 覺交互設備的操作手柄的位姿，并根據(jù)此位姿信息更新虛擬環(huán)境中的虛擬穿刺針的位姿狀 O
[0019] 進一步的，本發(fā)明的一種支持力覺交互的腰椎穿刺虛擬仿真與訓練系統(tǒng)，所述虛 擬穿刺教學與訓練模塊是在虛擬穿刺過程中：提供穿刺點位置的高亮顯示，穿刺方向的三 維線段顯示，穿刺針刺入的動畫播放，同時以截面視圖展示穿刺針在人體內部的位置，穿刺 針運動軌跡顯示，進行視覺引導。
[0020] 進一步的，本發(fā)明的一種支持力覺交互的腰椎穿刺虛擬仿真與訓練系統(tǒng)，所述進 行視覺引導具體步驟為：預先存儲專家的最佳行針軌跡、穿刺點和穿刺方向作為樣板；訓 練過程中，將學員的實際的穿刺點、穿刺方向與樣板比較，當學員的穿刺點和樣板穿刺點偏 差超過設定的閾值，或者穿刺方向與樣板穿刺方向的夾角大于設定閾值時，系統(tǒng)進行提醒 并高亮顯示最佳穿刺點和穿刺方向，同時以截面視圖展示穿刺針在人體內部的位置。
[0021 ] 進一步的，本發(fā)明的一種支持力覺交互的腰椎穿刺虛擬仿真與訓練系統(tǒng)，人體軀 干有限元模型，具體包括：L1-L5腰椎、骨盆、骶骨、骶裂孔、骶角、棘上韌帶、黃韌帶、硬脊膜 與珠網(wǎng)膜，以及由上述組織形成的珠網(wǎng)膜下腔、硬膜外腔、骶后上棘、胸椎棘突、腰椎棘突， 還包括皮膚和肌肉的模型；其中，骨骼模型皆為剛體，不參與變形仿真，有限元單元類型為 線性六面體單元。
[0022] 進一步的，本發(fā)明的一種支持力覺交互的腰椎穿刺虛擬仿真與訓練系統(tǒng)，軀干有 限元模型變形計算模塊：
[0023]A、采用隱式NewMark積分方法在約減空間中對約減后的有限元模型的動力學方 程進行仿真，得到約減空間中的形變q;
[0024]B、重建形變向量u:根據(jù)約減空間中的形變q重建原始空間的形變向量uGR3n更 新有限元模型，實現(xiàn)軀干有限元模型的變形；
[0025]C、有限元模型的局部更新和采樣：包括為滿足圖形繪制的要求更新模型外表面的 頂點的變形和位置，以及對可能發(fā)生碰撞、干涉的局部區(qū)域進行更新，為碰撞檢測模塊提供 更新的幾何信息。
[0026] 進一步的，本發(fā)明的一種支持力覺交互的腰椎穿刺虛擬仿真與訓練系統(tǒng)，碰撞檢 測的方法是：
[0027] 首先，篩選出有可能和穿刺針接觸的網(wǎng)格頂點，形成興趣點集W，具體為：以穿刺 針為中心軸形成包圍圓柱體，以穿刺針的針尖為圓心生成包圍球，兩者合并成為包圍盒，篩 選出在當前包圍盒中的網(wǎng)格頂點，構建興趣點集W;
[0028] 然后，檢查刺針針尖是否與骨骼模型碰撞，用點對多邊形網(wǎng)格的碰撞檢測方法進 行檢測，如果檢測結果為是，則進一步計算刺針針尖侵入骨骼深度，用彈簧阻尼算法計算出 反饋的力，傳送給力交互設備；否則說明刺針沒有接觸骨骼，進一步要求得刺針對軟組織的 侵入和干涉情況，對有限元模型的興趣點集W內所有的軟組織有限元模型的頂點進行局 部變形更新，將更新變形之后的軟組織有限元網(wǎng)格，與代表穿刺針的線段進行干涉檢查，找 出和穿刺針相交的網(wǎng)格，并找出這些網(wǎng)格所包含的頂點，構建相交頂點集?，找到包裹針管 的軟組織，侵入深度li。
[0029] 本發(fā)明采用以上技術方案具有以下技術效果：
[0030] 本發(fā)明為虛擬穿刺訓練提供了真實感強的觸力覺反饋，對提高腰椎穿刺這樣非常 需要手感的操作真實感來說，大有幫助。根據(jù)解剖學，穿刺針依次穿過皮膚、脂肪、棘上韌 帶、椎間韌帶、黃韌帶、硬腦脊膜的時候，因為每層組織彈性各不相同，因此產生對穿刺針不 同的阻力，對操作者來說，會感受到阻力的增減變化。阻力的增減變化對操作者來說是一個 提示，有經驗的操作者可據(jù)此判斷針尖所處位置。本系統(tǒng)可仿真穿刺過程中阻力的變化，從 而為學員提供逼真的訓練效果。
[0031] 另外，本發(fā)明可以提高教學效率，豐富教學手段，激發(fā)學習興趣，培養(yǎng)新手處理各 種突發(fā)情況的應變能力，提高知識應用能力，同時還可以大大降低培訓醫(yī)務人員的成本和 周期；以及為醫(yī)療條件相對較落后的邊遠地區(qū)的醫(yī)生和學生提供可重復性及可逆的培訓和 學習，這對于提高醫(yī)學教育水平具有重要的現(xiàn)實意義。
【附圖說明】
[0032] 圖1是腰椎穿刺解剖示意圖；
[0033] 圖2是系統(tǒng)總體架構圖；
[0034] 圖3是CT掃描部位示意圖；
[0035] 圖4是穿刺針受力分析示意圖；
[0036] 圖5是鉗位力計算方法示意圖；
[0037] 圖6是切割力計算方法示意圖；
[0038] 圖7是軟組織彈性力計算方法示意圖。
【具體實施方式】
[0039] 下面結合附圖通過具體實施例進一步詳細介紹本發(fā)明的具體實施步驟。
[0040] 本發(fā)明利用虛擬現(xiàn)實技術，建立"腰椎穿刺虛擬訓練系統(tǒng)"，目的是為醫(yī)學生提供 真實感強、可靠性高的訓練模式。如圖1所示，穿刺過程中，穿刺針依次穿過皮膚、脂肪、棘 上韌帶、椎間韌帶、黃韌帶、硬腦脊膜。因為每層組織彈性各不相同，當穿刺針針尖