CN102254476A - 内窥镜微创手术模拟训练方法及其*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种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；(二)利用基础算法构建***基础组件库；(三)利用***基础组件库构建核心算法，实现3D平台***核心功能；(四)构建医学模型描述语言；(五)调用医学模型，构建医学场景，模拟内窥镜微创手术各种动作；(六)利用操作台驱动虚拟环境中的内窥镜微创手术器械，模拟各种操作，通过数据接收和处理反馈信号驱动操作台的操作杆输出反馈力，实现力反馈和虚拟触觉，使模拟训练更加逼真。同时提供一种内窥镜微创手术模拟训练***。本发明可提供力反馈及虚拟触觉效果，仿真度高，模拟训练效果好。
Description
技术领域
本发明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方法及其***。
背景技术
内窥镜微创手术模拟训练***主要通过3D平台***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***”，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***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***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。
发明内容
本发明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方法。
本发明的另一目的在于提供实现上述方法的内窥镜微创手术模拟训练***。
本发明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***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***基础组件库。
(三)利用***基础组件库构建核心算法，实现3D平台***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。
(四)构建医学模型描述语言：在核心算法的基础上通过脚本方式定义模型的几何和物理属性，实现程序和数据分离，便于***维护和管理。
(五)调用医学模型，构建医学场景，模拟内窥镜微创手术各种动作，包括抓取、切割、缝合、打结、上钛夹、烟雾、流血等。
(六)利用操作台驱动虚拟环境中的内窥镜微创手术器械(包括夹钳、超声刀、电凝钩等)，模拟各种操作(包括张开、闭合、剪切、缝合、打结)，将5个以上自由度(DOF，每个自由度对应一台电机)的位置、状态和机械动作转换为电信号，通过数据接收和处理反馈信号驱动操作台的操作杆输出反馈力，实现力反馈和虚拟触觉，使模拟训练更加逼真。
步骤(一)中，所述医学模型是指几何模型，几何模型是内窥镜微创手术的基础，一般来说，几何模型的构建有两种途径：一种是自医学图像(MRI、CT等)或数字人(VHP)数据集等原始数据，然后通过专用工具(如开源工具VTK、ITK及基础上开发的3DSlicer，或者商业工具如MIMCS、3Ddoctor等)进行医学图像的处理，包括图像的预处理、分割、配准等，完成对象的几何建模，主要方法有面重建等，面重建主要是按照给定阈值从三维体数据中抽取等值面，然后利用传统的面绘制方法绘制此等值面。面重建方法主要有基于断层轮廓线的表面重建、基于体素的等值面重建、几何变形法；另一种就是通过3D建模软件如3D Max、Maya等来进行几何模型的构建，然后导出为三角网格或四角网格数据。几何模型的构建可采用两种方法之一，或者两种方法的综合并加以封装，与3D Max、Maya等无缝连接。
医学模型的编辑是将构建的几何模型转换为三角网格进行编辑，包括增加点、线、面，删除点、线、面，修改模型的形状等。按Mass-Spring、有限元等算法对场景进行重构和设置相关参数。
步骤(二)中，构建***基础组件库具体可为：利用基础算法，如euler，euler_ordered，runge，runge_4thorder，quasi，quasi_ordered，bogus，FSA，FSAF、perlin noise等构建***基础组件库；用euler，euler_ordered，runge，runge_4thorder算法构建三维模型组件库；利用quasi，quasi_ordered，bogus，FSA，FSAF构建模型计算组件库；用perlin noise构建仿真贴图组件库。
步骤(三)中，几何模型和物理模型是通过三维模型组件库来构建的；利用OPENGL和仿真贴图组件库构建图形渲染核心算法；利用三维模型组件库来构建包围盒和包围球等核心算法，然后实现碰撞检测功能；力计算组件库来实现力反馈功能；利用串口通信组件库实现操作台的数据通信功能；利用SQL组件库实现数据库的数据交换功能等。
步骤(四)中，所述医学模型描述语言是脚本语言，通过定义三维几何模型的物理属性如动作、光线、材质、弹性模量，来实现了三维几何模型的物理效果。
步骤(五)具体为：通过读取医学模型描述语言来调用建好的各种医学模型包括器官模型和器械模型，并赋予模型相应的物理属性，构建医学场景，通过调用相应的动作和效果，包括抓取、切割、缝合、打结、上钛夹、烟雾、流血等，实现各种互动操作。
步骤(六)具体为：操作台通过传感器***采集培训医生对手术器械操作动作信息，上传给3D平台***，3D平台***从四个方面进行运算：第一，仿真手术器械的动作；第二，根据设定的虚拟手术环境和培训医生的动作信息，判断手术器械对器官组织的操作结果，如形变、烟雾、流血等，模拟手术操作；第三，根据组织受操作后的变化，在渲染子***中虚拟手术结果，通过显示设备显示；第四，根据器官组织的弹性模量，给出反馈力数据，下传给操作台，操作台通过力反馈执行***向培训医生反馈力，使得培训医生就像碰到真实人体组织一样，实现各种操作的互动。
一种实现上述方法的内窥镜微创手术模拟训练***，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***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***服务器相连接，所述3D医学模型处理服务器亦与3D平台***服务器相连接，3D平台***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***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作用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***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***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***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***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***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。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、支持力反馈和虚拟触觉功能。力反馈和虚拟触觉实现的基本过程是虚拟现实软件***输出的力反馈指令经接口电路输出，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钢丝传动，由操作杆向操作者输出反馈力。由于实现了力反馈和虚拟触觉功能，所以本发明仿真度高，模拟训练效果好。
2、支持自主研发的3D终端设备(操作台)，也支持目前主流的3D终端设备(操作台)，可以支持任意自由度(DOF)，操作杆支持换操作头，也可以换整个操作杆，支持齿轮驱动，也支持钢丝驱动。因此，本发明的适用性良好。
3、3D平台模拟对象同时支持刚体和软体，对于刚体方面可以精确的模拟手术器械的各种动作，如抓取、剪切、缝合、上钛夹，对于软体方面，能够模拟各种医学效果，如形变、流血、烟雾等，采用各种高效和精确算法使模拟效果更加精确、逼真。
4、支持多种建模方法，除了3Dmax等建模工具外，还支持采用ITK、VTK，MIMCS等工具，数据来源可以3Dmax的模型，也可以是CT、MRI、数字人等，应用范围广、使用方便。
5、同时支持微软的3D DirectX和开源OpenGL等3D接口标准，支持跨平台的开发和应用，如可以应用在Windows、Linux等操作***中。
6、引入了医学模型描述语言，实现程序和数据分离，便于***维护和管理。
7、充分利用了GPU计算能力，将运算量大的计算放入到GPU中，运行速度更快。
8、通过远程连接功能能够通过局域网或互联网进行远程训练。
附图说明
图1是内窥镜微创手术模拟训练***硬件结构图；
图2是图1所示内窥镜微创手术模拟训练***的操作台结构示意图；
图3是图2所示操作台的操作手臂结构示意图；
图4是内窥镜微创手术模拟训练***流程图；
图5内窥镜微创手术模拟训练***3D平台***结构图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
图1示出了本发明的具体结构，由图1可见，本发明内窥镜微创手术模拟训练***包括5个部分：3D医学模型处理服务器1、操作台2、数据接收处理设备(力反馈、虚拟触觉)3、3D平台***服务器4、显示设备5；所述数据接收处理设备3用于实现力反馈及虚拟触觉，所述操作台2与数据接收处理设备3相连接，所述数据接收处理设备3与3D平台***服务器4相连接，所述3D医学模型处理服务器1亦与3D平台***服务器4相连接，3D平台***服务器4与显示设备5相连接。3D平台***服务器中的3D平台***流程图如图4所示，3D平台***结构图如图5所示。
所述3D医学模型处理服务器1与3D平台***服务器4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***服务器1构建内窥镜微创手术虚拟环境，如胃癌手术、胆囊手术虚拟场景，虚拟场景包括虚拟器械和虚拟器官，虚拟器械如电勾、超声刀、施夹器等，虚拟器官如肝、胆、胃、脾等。
所述操作台2的结构如图2所示，由左右二组操作手臂构成，每组操作手臂如图3所示，包括底座6、大转轮7、支撑座8、螺旋轮9、电机10、位置传感器11、旋转轮盖12、操作杆13、位置传感器14、自转微调拨盘15、位置传感器16、剪刀手柄17、位置传感器18、剪刀手柄19、惰轮20、轴承21、直线导轨22、钢丝绳张紧装置23、螺旋轮24、电机25、位置传感器26、螺旋轮27、电机28、位置传感器29。操作手臂具有6个方向的运动，分别为操作手臂左右、前后、上下、绕轴自转、自转微调以及剪刀剪切运动。其中，左右、前后、上下三个方向具有力反馈执行功能。
所述的数据接收处理设备(力反馈、虚拟触觉)3与3D平台***服务器4相连接，实现数据双向传输过程，即正向过程，由操作台2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作用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2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***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***服务器4输出的力反馈指令经数据接收处理设备(力反馈、虚拟触觉)3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2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)3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。
所述显示设备5与3D平台***服务器4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5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。
实施例2
利用实施例1所述***实现的内窥镜微创手术模拟训练方法，包括下述步骤：
第一步：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。
所述的医学模型是指几何模型，几何模型是内窥镜微创手术的基础，本实施例的几何模型取自医学图像(MRI、CT等)或数字人(VHP)数据集等原始数据，然后通过专用工具(如开源工具VTK、ITK及基础上开发的3DSlicer，或者商业工具如MIMCS、3Ddoctor等)进行医学图像的处理，包括图像的预处理、分割、配准等，完成对象的几何建模，主要方法有面重建等，面重建主要是按照给定阈值从三维体数据中抽取等值面，然后利用传统的面绘制方法绘制此等值面。面重建方法主要有基于断层轮廓线的表面重建、基于体素的等值面重建、几何变形法。
本实施例几何模型还可以通过3D建模软件如3D Max、Maya等来进行几何模型的构建，然后导出为三角网格或四角网格数据。
第二步：构建***基础组件库：在本实施例中用euler，euler_ordered，runge，runge_4thorder算法构建三维模型组件库，利用quasi，quasi_ordered，bogus，FSA，FSAF构建模型计算组件库，用perlin noise构建仿真贴图组件库。
第三步：实现3D平台***核心功能：利用***基础组件库构建核心算法，实现3D平台***核心功能。在本实施例中在OPENGL基础上实现3D渲染，实现过程为：1)、使用几何图元建立模型，从而得到3D模型的数学描述；2)、在3D空间排列对象，选择观察场景的有利位置；3)、计算所有3D模型的颜色。颜色由应用程序指定、根据光照条件确定、将问题粘贴到3D模型上得到，也可以综合上述多种操作获得；4)、将3D模型的数学描述和相关的颜色信息转换为屏幕像素，实现光栅化。同时构建3D仿真贴图组件，以增强OPENGL的3D渲染能力和效果。
本实施例中碰撞检测本***采用AABB包围盒(Axis AlignedBounding Box)和包围盒(Oriented Bounding Box)相结合的算法，充分利用了AABB的计算效率和OBB包围盒的精确性与健壮性。
本实施例中的数据通信主要通过RS232串口全双工通信，采用Proxy设计模式来实现，先定义好上位机和下位机之间的数据通信协议，设置好通信的串口号、波特率、奇偶校验位等，通过实时或者非实时的数据传送和接受，并按照数据通信协议对5个自由度(DOF)以上的数据进行封装和解析，实现操作的互动。
第四步：构建医学模型描述语言：本实施例中模型描述语言通过脚本方式定义模型的几何和物理属性，脚本文件中定义了缩放比例、旋转角度、光线、动作、碰撞检测等，这些可以根据具体虚拟训练场景的要求来定制，程序可以根据脚本中定义属性来实现虚拟训练场景中的器官、器械的属性和动作等，修改脚本文件内容不需要修改程序，这样实现程序和数据分离。
第五步：调用医学模型，构建医学场景，模拟内窥镜微创手术各种动作，本实施例中软组织缝合实现通过欧拉算法来进行应力和力矩计算，应力计算包括重力、节点连接之间的stretch/compress力、节点连接之间的bend和twist力，dissipative friction力、以及contact力。力矩计算主要为stretch和friction力，碰撞检测采用AABB和OBB相结合的算法。
本实施例中的烟雾实现主要通过粒子来模拟，烟雾的稀薄主要通过控制粒子的数量来实现，烟雾的形态通过粒子的物理属性如重力等来控制。
第六步：利用操作台驱动虚拟环境中的内窥镜微创手术器械(包括夹钳、超声刀、电凝钩等)，模拟各种操作(包括张开、闭合、剪切、缝合)，将5个以上自由度(DOF，每个自由度对应一台电机)的位置、状态和机械动作转换为电信号，通过数据接收和处理反馈信号驱动操作台的操作杆输出反馈力，实现力反馈和虚拟触觉，使模拟训练更加逼真。
本实施例中操作台通过传感器***采集培训医生对手术器械操作动作信息，上传给3D平台***，3D平台***从四个方面进行运算：第一，仿真手术器械的动作；第二，根据设定的虚拟手术环境和培训医生的动作信息，判断手术器械对器官组织的操作结果，如抓取、切割、缝合、烟雾、上钛夹、流血等，模拟手术操作；第三，根据组织受操作后的变化，在渲染子***中虚拟手术结果，通过显示设备显示；第四，根据器官组织的弹性模量，基于点的力生成算法给出反馈力数据，采用下传给操作台。操作台通过力反馈执行***向培训医生反馈力，使得培训医生就像碰到真实人体组织一样，实现各种操作的互动。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种内窥镜微创手术模拟训练方法，其特征在于，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)利用基础算法构建***基础组件库；
(三)利用***基础组件库构建核心算法，实现3D平台***核心功能；
(四)构建医学模型描述语言：在核心算法的基础上通过脚本方式定义模型的几何和物理属性，实现程序和数据分离，便于***维护和管理；
(五)调用医学模型，构建医学场景，模拟内窥镜微创手术各种动作，包括抓取、切割、缝合、打结、上钛夹、烟雾、流血；
(六)利用操作台驱动虚拟环境中的内窥镜微创手术器械，模拟各种操作，将5个以上自由度的位置、状态和机械动作转换为电信号，通过数据接收和处理反馈信号驱动操作台的操作杆输出反馈力，实现力反馈和虚拟触觉，使模拟训练更加逼真。
2.根据权利要求1所述的内窥镜微创手术模拟训练方法，其特征在于，步骤(一)中，所述医学模型是指几何模型，所述几何模型的构建有两种途径：一种是自医学图像或数字人数据集等原始数据，然后通过专用工具进行医学图像的处理，完成对象的几何建模；另一种就是通过3D建模软件进行几何模型的构建，然后导出为三角网格或四角网格数据；几何模型的构建是综合所述两种途径并加以封装，与3D Max、Maya无缝连接。
3.根据权利要求1所述的内窥镜微创手术模拟训练方法，其特征在于，步骤(一)中，医学模型的编辑是将构建的几何模型转换为三角网格进行编辑，按Mass-Spring、有限元等算法对场景进行重构和设置相关参数。
4.根据权利要求1所述的内窥镜微创手术模拟训练方法，其特征在于，步骤(二)中，构建***基础组件库具体为：利用基础算法euler，euler_ordered，runge，runge_4thorder，quasi，quasi_ordered，bogus，FSA，FSAF、perlin noise构建***基础组件库；用euler，euler_ordered，runge，runge_4thorder算法构建三维模型组件库；利用quasi，quasi_ordered，bogus，FSA，FSAF构建力计算组件库；用perlin noise构建仿真贴图组件库。
5.根据权利要求1所述的内窥镜微创手术模拟训练方法，其特征在于，步骤(三)中，几何模型和物理模型是通过三维模型组件库来构建的；利用OPENGL和仿真贴图组件库构建图形渲染核心算法；利用三维模型组件库来构建包围盒和包围球等核心算法，然后实现碰撞检测功能；力计算组件库来实现力反馈功能；利用串口通信组件库实现操作台的数据通信功能；利用SQL组件库实现数据库的数据交换功能。
6.根据权利要求1所述的内窥镜微创手术模拟训练方法，其特征在于，步骤(四)中，所述医学模型描述语言是脚本语言，通过定义三维几何模型的物理属性，来实现了三维几何模型的物理效果。
7.根据权利要求1所述的内窥镜微创手术模拟训练方法，其特征在于，步骤(五)具体为：通过读取医学模型描述语言来调用建好的各种医学模型包括器官模型和器械模型，并赋予模型相应的物理属性，构建医学场景，通过调用相应的动作和效果，包括抓取、切割、缝合、打结、上钛夹、烟雾、流血，实现各种互动操作。
8.根据权利要求1所述的内窥镜微创手术模拟训练方法，其特征在于，步骤(六)具体为：操作台通过传感器***采集培训医生对手术器械操作动作信息，上传给3D平台***，3D平台***从四个方面进行运算：第一，仿真手术器械的动作；第二，根据设定的虚拟手术环境和培训医生的动作信息，判断手术器械对器官组织的操作结果，如形变、烟雾、流血等，模拟手术操作；第三，根据组织受操作后的变化，在渲染子***中虚拟手术结果，通过显示设备显示；第四，根据器官组织的弹性模量，给出反馈力数据，下传给操作台。
9.一种实现权利要求1-8任一项所述方法的内窥镜微创手术模拟训练***，其特征在于：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***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***服务器相连接，所述3D医学模型处理服务器亦与3D平台***服务器相连接，3D平台***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***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作用驱动操作台产生反馈力的作用。
10.根据权利要求9所述的内窥镜微创手术模拟训练***，其特征在于：所述正向过程的基本流程是操作台的五个自由度的动作驱动伺服电机，换转化为电信号，由接口电路输出，经过模/数转换器将模拟量转换为数字量，然后通过3D平台***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***服务器输出的力反馈指令经数据接收处理设备输出，经过数/模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；
数据接收处理设备采用完全实时模式；
3D医学模型处理服务器与3D平台***服务器相连，根据各种医学数据构建3D医学模型，并通过3D平台***服务器构建内窥镜微创手术虚拟环境。
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Cited By (38)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103166987A (zh) * | 2011-12-12 | 2013-06-19 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 虚拟手术中的数据同步方法及*** |
| CN103399584A (zh) * | 2013-08-07 | 2013-11-20 | 吴开俊 | 一种用于远程控制医疗器械的控制***及其控制方法 |
| CN103456225A (zh) * | 2012-06-01 | 2013-12-18 | 苏州敏行医学信息技术有限公司 | 基于腹腔镜手术模拟***的双手协调基础训练方法及*** |
| CN103456220A (zh) * | 2012-06-01 | 2013-12-18 | 苏州敏行医学信息技术有限公司 | 基于腹腔镜手术模拟***的钛夹钳夹闭训练方法及*** |
| CN103456224A (zh) * | 2012-06-01 | 2013-12-18 | 苏州敏行医学信息技术有限公司 | 基于腹腔镜手术模拟***的镜头操作训练方法及*** |
| CN103680279A (zh) * | 2013-12-31 | 2014-03-26 | 广州赛宝联睿信息科技有限公司 | 膀胱镜手术模拟训练方法及*** |
| CN103903487A (zh) * | 2013-11-26 | 2014-07-02 | 深圳市唯特视科技有限公司 | 一种基于3d力反馈技术的内窥镜微创手术三维仿真*** |
| CN104401393A (zh) * | 2014-10-20 | 2015-03-11 | 同济大学 | 远程操纵***用操纵反力模拟及控制*** |
| CN104424838A (zh) * | 2013-08-26 | 2015-03-18 | 王尧 | 宫腔镜手术模拟器 |
| CN104658389A (zh) * | 2013-11-18 | 2015-05-27 | 上海交通大学医学院附属第九人民医院 | 一种虚拟正颌手术培训***及方法 |
| CN104916184A (zh) * | 2015-06-16 | 2015-09-16 | 中国科学院自动化研究所 | 一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练***及其训练方法 |
| WO2016015560A1 (zh) * | 2014-08-01 | 2016-02-04 | 卓思生命科技有限公司 | 一种手术模拟***及方法 |
| CN105378819A (zh) * | 2013-06-07 | 2016-03-02 | 外科科学瑞典有限公司 | 用于手术模拟***的用户接口 |
| CN105719526A (zh) * | 2016-03-14 | 2016-06-29 | 哈尔滨理工大学 | 基于力反馈的埋线提眉整形手术模拟*** |
| CN105868569A (zh) * | 2016-04-15 | 2016-08-17 | 福建水立方三维数字科技有限公司 | 一种产科护理虚拟仿真平台及其操作方法 |
| CN106251751A (zh) * | 2016-10-12 | 2016-12-21 | 大连文森特软件科技有限公司 | 一种基于vr技术的医疗手术模拟仿真*** |
| CN106371374A (zh) * | 2016-11-07 | 2017-02-01 | 福州幻科机电科技有限公司 | 一种微创内窥镜四自由度定位机的智能控制电路*** |
| CN106409103A (zh) * | 2016-10-12 | 2017-02-15 | 大连文森特软件科技有限公司 | 一种基于瞬态噪声去噪技术和矫正技术的vr医疗体验*** |
| CN106781972A (zh) * | 2016-12-27 | 2017-05-31 | 泉州医学高等专科学校 | 基于vr技术的胎儿平产接生模拟***及方法 |
| CN106781947A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-05-31 | 天津天堰科技股份有限公司 | 一种具有自主评价机制的虚拟消毒训练*** |
| CN106774923A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-05-31 | 天津天堰科技股份有限公司 | 一种显示操作轨迹的虚拟消毒训练*** |
| CN107168105A (zh) * | 2017-06-29 | 2017-09-15 | 徐州医科大学 | 一种虚拟手术混合控制***及其验证方法 |
| CN107221032A (zh) * | 2017-06-28 | 2017-09-29 | 华中科技大学鄂州工业技术研究院 | 虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法和*** |
| CN107361843A (zh) * | 2017-08-16 | 2017-11-21 | 福州大学 | 具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法 |
| CN107945602A (zh) * | 2016-10-12 | 2018-04-20 | 阿里巴巴集团控股有限公司 | 一种设备操作考核/培训方法、装置及*** |
| CN108053709A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-05-18 | 六盘水市人民医院 | 一种心脏外科深部缝合操作训练***及模拟成像方法 |
| CN109243614A (zh) * | 2018-09-11 | 2019-01-18 | 深圳先进技术研究院 | 一种手术仿真方法、装置和*** |
| CN109758229A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-05-17 | 襄阳市第一人民医院（襄阳市肿瘤医院） | 一种基于虚拟现实的神经外科手术控制***及方法 |
| US10426424B2 (en) | 2017-11-21 | 2019-10-01 | General Electric Company | System and method for generating and performing imaging protocol simulations |
| CN110376922A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-10-25 | 广东工业大学 | 手术室场景模拟*** |
| CN110807968A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-02-18 | 上海褚信医学科技有限公司 | 穿刺手术教学***、实现方法、教学终端和教学设备 |
| CN111026269A (zh) * | 2019-12-04 | 2020-04-17 | 上海褚信医学科技有限公司 | 基于力反馈的生物组织结构的触觉反馈方法、装置和设备 |
| CN111882936A (zh) * | 2020-07-18 | 2020-11-03 | 纽智医疗科技(苏州)有限公司 | 一种基于力反馈与虚拟现实的手术预演及教学*** |
| CN112037629A (zh) * | 2020-07-23 | 2020-12-04 | 常州锦瑟医疗信息科技有限公司 | 基于混合现实技术的医疗手术模拟仿真*** |
| CN112201131A (zh) * | 2013-12-20 | 2021-01-08 | 直观外科手术操作公司 | 用于医疗程序培训的模拟器*** |
| CN113342169A (zh) * | 2021-06-10 | 2021-09-03 | 中国水利水电第七工程局有限公司 | 一种基于力反馈的塔式起重机操作虚拟培训*** |
| CN115281584A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-11-04 | 中国科学院自动化研究所 | 柔性内窥镜机器人控制***及柔性内窥镜机器人模拟方法 |
| US11727827B2 (en) | 2012-08-17 | 2023-08-15 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Anatomical model and method for surgical training |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101286188A (zh) * | 2008-04-03 | 2008-10-15 | 深圳先进技术研究院 | 一种虚拟仿真***中力觉反馈的计算方法 |
| CN101393654A (zh) * | 2008-10-07 | 2009-03-25 | 华南师范大学 | 一种计算机辅助脏器手术仿真*** |
| US20100092267A1 (en) * | 2006-12-19 | 2010-04-15 | Deakin University | Method and apparatus for haptic control |
| CN202178009U (zh) * | 2011-07-18 | 2012-03-28 | 广州赛宝联睿信息科技有限公司 | 内窥镜微创手术模拟训练*** |
-
2011
- 2011-07-18 CN CN201110200012.5A patent/CN102254476B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100092267A1 (en) * | 2006-12-19 | 2010-04-15 | Deakin University | Method and apparatus for haptic control |
| CN101286188A (zh) * | 2008-04-03 | 2008-10-15 | 深圳先进技术研究院 | 一种虚拟仿真***中力觉反馈的计算方法 |
| CN101393654A (zh) * | 2008-10-07 | 2009-03-25 | 华南师范大学 | 一种计算机辅助脏器手术仿真*** |
| CN202178009U (zh) * | 2011-07-18 | 2012-03-28 | 广州赛宝联睿信息科技有限公司 | 内窥镜微创手术模拟训练*** |
Cited By (49)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103166987A (zh) * | 2011-12-12 | 2013-06-19 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 虚拟手术中的数据同步方法及*** |
| CN103166987B (zh) * | 2011-12-12 | 2016-06-15 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 虚拟手术中的数据同步方法及*** |
| CN103456220B (zh) * | 2012-06-01 | 2016-01-20 | 苏州敏行医学信息技术有限公司 | 基于腹腔镜手术模拟***的钛夹钳夹闭训练方法及*** |
| CN103456225A (zh) * | 2012-06-01 | 2013-12-18 | 苏州敏行医学信息技术有限公司 | 基于腹腔镜手术模拟***的双手协调基础训练方法及*** |
| CN103456220A (zh) * | 2012-06-01 | 2013-12-18 | 苏州敏行医学信息技术有限公司 | 基于腹腔镜手术模拟***的钛夹钳夹闭训练方法及*** |
| CN103456224A (zh) * | 2012-06-01 | 2013-12-18 | 苏州敏行医学信息技术有限公司 | 基于腹腔镜手术模拟***的镜头操作训练方法及*** |
| US11727827B2 (en) | 2012-08-17 | 2023-08-15 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Anatomical model and method for surgical training |
| CN105378819A (zh) * | 2013-06-07 | 2016-03-02 | 外科科学瑞典有限公司 | 用于手术模拟***的用户接口 |
| CN103399584A (zh) * | 2013-08-07 | 2013-11-20 | 吴开俊 | 一种用于远程控制医疗器械的控制***及其控制方法 |
| CN103399584B (zh) * | 2013-08-07 | 2016-03-23 | 吴开俊 | 一种用于远程控制医疗器械的控制***及其控制方法 |
| CN104424838A (zh) * | 2013-08-26 | 2015-03-18 | 王尧 | 宫腔镜手术模拟器 |
| CN104658389A (zh) * | 2013-11-18 | 2015-05-27 | 上海交通大学医学院附属第九人民医院 | 一种虚拟正颌手术培训***及方法 |
| CN103903487A (zh) * | 2013-11-26 | 2014-07-02 | 深圳市唯特视科技有限公司 | 一种基于3d力反馈技术的内窥镜微创手术三维仿真*** |
| US11468791B2 (en) | 2013-12-20 | 2022-10-11 | Intuitive Surgical Operations, Inc. | Simulator system for medical procedure training |
| CN112201131A (zh) * | 2013-12-20 | 2021-01-08 | 直观外科手术操作公司 | 用于医疗程序培训的模拟器*** |
| CN103680279A (zh) * | 2013-12-31 | 2014-03-26 | 广州赛宝联睿信息科技有限公司 | 膀胱镜手术模拟训练方法及*** |
| WO2016015560A1 (zh) * | 2014-08-01 | 2016-02-04 | 卓思生命科技有限公司 | 一种手术模拟***及方法 |
| CN105321415A (zh) * | 2014-08-01 | 2016-02-10 | 卓思生命科技有限公司 | 一种手术模拟***及方法 |
| CN104401393A (zh) * | 2014-10-20 | 2015-03-11 | 同济大学 | 远程操纵***用操纵反力模拟及控制*** |
| CN104916184A (zh) * | 2015-06-16 | 2015-09-16 | 中国科学院自动化研究所 | 一种面向术前培训的虚拟手术模拟训练***及其训练方法 |
| CN105719526A (zh) * | 2016-03-14 | 2016-06-29 | 哈尔滨理工大学 | 基于力反馈的埋线提眉整形手术模拟*** |
| CN105868569A (zh) * | 2016-04-15 | 2016-08-17 | 福建水立方三维数字科技有限公司 | 一种产科护理虚拟仿真平台及其操作方法 |
| CN106251751A (zh) * | 2016-10-12 | 2016-12-21 | 大连文森特软件科技有限公司 | 一种基于vr技术的医疗手术模拟仿真*** |
| CN106409103A (zh) * | 2016-10-12 | 2017-02-15 | 大连文森特软件科技有限公司 | 一种基于瞬态噪声去噪技术和矫正技术的vr医疗体验*** |
| CN106409103B (zh) * | 2016-10-12 | 2019-03-12 | 快创科技（大连）有限公司 | 一种基于瞬态噪声去噪技术和矫正技术的vr医疗体验*** |
| CN106251751B (zh) * | 2016-10-12 | 2019-05-24 | 快创科技（大连）有限公司 | 一种基于vr技术的医疗手术模拟仿真*** |
| CN107945602A (zh) * | 2016-10-12 | 2018-04-20 | 阿里巴巴集团控股有限公司 | 一种设备操作考核/培训方法、装置及*** |
| CN106371374A (zh) * | 2016-11-07 | 2017-02-01 | 福州幻科机电科技有限公司 | 一种微创内窥镜四自由度定位机的智能控制电路*** |
| CN106781972A (zh) * | 2016-12-27 | 2017-05-31 | 泉州医学高等专科学校 | 基于vr技术的胎儿平产接生模拟***及方法 |
| CN106774923A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-05-31 | 天津天堰科技股份有限公司 | 一种显示操作轨迹的虚拟消毒训练*** |
| CN106781947A (zh) * | 2016-12-30 | 2017-05-31 | 天津天堰科技股份有限公司 | 一种具有自主评价机制的虚拟消毒训练*** |
| CN107221032B (zh) * | 2017-06-28 | 2020-11-20 | 华中科技大学鄂州工业技术研究院 | 虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法和*** |
| CN107221032A (zh) * | 2017-06-28 | 2017-09-29 | 华中科技大学鄂州工业技术研究院 | 虚拟腹腔镜肝囊肿切除开窗手术教学方法和*** |
| CN107168105A (zh) * | 2017-06-29 | 2017-09-15 | 徐州医科大学 | 一种虚拟手术混合控制***及其验证方法 |
| CN107361843A (zh) * | 2017-08-16 | 2017-11-21 | 福州大学 | 具有真实触感的沉浸式神经外科手术模拟方法 |
| US10426424B2 (en) | 2017-11-21 | 2019-10-01 | General Electric Company | System and method for generating and performing imaging protocol simulations |
| CN108053709A (zh) * | 2017-12-29 | 2018-05-18 | 六盘水市人民医院 | 一种心脏外科深部缝合操作训练***及模拟成像方法 |
| CN109243614B (zh) * | 2018-09-11 | 2020-07-31 | 深圳先进技术研究院 | 一种手术仿真方法、装置和*** |
| CN109243614A (zh) * | 2018-09-11 | 2019-01-18 | 深圳先进技术研究院 | 一种手术仿真方法、装置和*** |
| CN109758229A (zh) * | 2018-12-25 | 2019-05-17 | 襄阳市第一人民医院（襄阳市肿瘤医院） | 一种基于虚拟现实的神经外科手术控制***及方法 |
| CN110376922A (zh) * | 2019-07-23 | 2019-10-25 | 广东工业大学 | 手术室场景模拟*** |
| CN110807968A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-02-18 | 上海褚信医学科技有限公司 | 穿刺手术教学***、实现方法、教学终端和教学设备 |
| CN111026269A (zh) * | 2019-12-04 | 2020-04-17 | 上海褚信医学科技有限公司 | 基于力反馈的生物组织结构的触觉反馈方法、装置和设备 |
| CN111026269B (zh) * | 2019-12-04 | 2023-10-10 | 上海褚信医学科技有限公司 | 基于力反馈的生物组织结构的触觉反馈方法、装置和设备 |
| CN111882936A (zh) * | 2020-07-18 | 2020-11-03 | 纽智医疗科技(苏州)有限公司 | 一种基于力反馈与虚拟现实的手术预演及教学*** |
| CN112037629A (zh) * | 2020-07-23 | 2020-12-04 | 常州锦瑟医疗信息科技有限公司 | 基于混合现实技术的医疗手术模拟仿真*** |
| CN113342169A (zh) * | 2021-06-10 | 2021-09-03 | 中国水利水电第七工程局有限公司 | 一种基于力反馈的塔式起重机操作虚拟培训*** |
| CN115281584A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-11-04 | 中国科学院自动化研究所 | 柔性内窥镜机器人控制***及柔性内窥镜机器人模拟方法 |
| CN115281584B (zh) * | 2022-06-30 | 2023-08-15 | 中国科学院自动化研究所 | 柔性内窥镜机器人控制***及柔性内窥镜机器人模拟方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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