CN104778894B - 一种虚拟仿真正骨手法培训***及其建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种虚拟仿真正骨手法培训***及其建立方法。虚拟仿真正骨手法培训***包括数据采集模块、显示模块、三维建模模块、碰撞检测模块、形变计算模块、正骨标准手法数据库、比较模块。本发明通过三维建模模块构建骨折骨断处的三维模型和虚拟人手的三维模型，数据采集模块采集操作者的手部动作并通过显示模块显示的虚拟人手以演示，碰撞检测模块实时检测虚拟人手和骨折处是否有碰撞，形变计算模块计算有碰撞处的肌肤变形情况，并且比较模块同时将操作者的手部动作与正骨标准手法数据库中的标准手法做对比，检测操作者的错误与不足，再通过显示模块显示，使得操作者学习改进。
Description
技术领域
本发明涉及虚拟仿真技术领域，更具体地说，特别涉及一种虚拟仿真正骨手法培训***及其建立方法。
背景技术
中医正骨手法以“不开刀、康复快、花钱少”的特色，治疗骨折、关节脱臼等骨伤疾病，深受广大患者的欢迎。然而，目前不少医院、甚至中医院已基本放弃了这一疗法，正规的正骨术只在北派、南派的不到十家医院中传承着。在这些医院中，也只有年纪大的、退休医生熟悉中医正骨术，其他医生都采用手术等西医疗法治疗骨伤疾病。中医正骨疗法正遭遇尴尬，举步维艰，濒临失传。
导致这种境地的原因之一，是传统的正骨教学采用的是传统中医师带徒、一对一的教学方式，直接在骨折患者身上进行手法操作练习，增加了病人痛苦及因错误操作而给患者带来新的损伤，同时也使学生因亲临病人产生的紧张和慌乱感，学习周期长、效果差。另一方面，对于正骨手法的存储与传播，传统方式通过文字和图画进行记录，但无法形象地展现正骨手法实施的整个过程；通过制作动画方式来保存，每次制作的动画都不能在下次中重复利用，造成了非常严重的资源浪费；通过视频录像记录正骨手法的实施过程，往往存在无法从多个角度记录手法的实施，无法反映患骨在治疗过程的情况以及观众无法通过交互的方式来体验正骨过程的问题，而第三个原因是，中医正骨手法至今尚未形成标准的、客观的操作规范，也极大地影响了名医的经验的传承。
虚拟现实技术(Virtual Reality，简称VR)是计算机学科的重点研究领域，涉及计算机图形学、多媒体技术、人工智能、人机接口技术、传感器技术以及高度并行的实时计算技术，还包括人的行为学研究等多项关键技术。虚拟现实能给用户以更逼真的体验，为探索宏观世界和微观世界以及种种原因不便于直接观察事物的运动变化规律提供了极大的便利。也正是这一优势，使虚拟现实技术在医学领域中得到了广泛关注，已应用于医学教学、疾病诊断、手术模拟、康复医疗、远程医疗等方面。德国的卡尔斯鲁厄研究中心(Forschungszentrum Karlsruhe)的Uwe G.K hnapfel等人于1997年研制成功虚拟腹腔镜手术训练***Karlsruhe Endoscopic Surgery Trainer。他们开发了功能强大的3D模拟软件KISMET做为训练***的核心软件,可完成实时的物理学模拟、运动学模拟以及快速的3D图形渲染等功能。该训练***采用弹簧振子(mass spring)模型模拟子宫等软组织形变,通过添加父结点使物体两侧的结点产生联系,使面模型形变表现出体行为,满足了实时性和逼真性的要求；该研究中心于2002年又推出了系列***VSOne。
美国波士顿动力学研究中心(Boston Dynamics)研制的虚拟手术***不但能产生十分逼真的血管、心脏、大脑的医学三维图象，并且具有精确的力反馈效果。外科医学生使用该***的人机交互设备后就可以虚拟手术训练。手术训练者在使用该***时，可以使用“虚拟镊子”、“虚拟缝针”等手术工具，进行“虚拟血管”缝合手术。通过偏振眼镜和立体显示装置，使用训练者获得如同在真实手术环境进行血管缝合手术的感受。
国内研究与国外相比差距较大，清华大学、浙江大学、华中科技大学、南方医科大学、国防科技大学、解放军空军总医院、中科院自动化研究所等单位在积极开展虚拟外科手术和手术训练方面的研究，研究多数集中在医学图象数据的三维重构及可视化、变形仿真、虚拟手术中的碰撞检测和抓取规则、以及手术辅助***等方面。如清华大学开发的三维医学图像***，西北大学研制的三维医学可视化分析平台，中科院自动化研究所开发的三维医学图像处理***，国防科技大学的虚拟膝关节镜手术仿真***。
目前，国内将虚拟现实技术应用在中医中的研究主要有以下方面：(1)中医远程脉诊***；(2)腕踝针虚拟教学***；(3)中医针灸教学***。
基于虚拟现实技术的中医远程脉诊的研究采用虚拟现实技术为核心生成视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境,用户可借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、互相影响，使患者能够协同医生完成切脉过程，医生能够获得患者脉象的指端感受，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。充分利用虚拟现实技术对客观***的本质属性进行抽象和重演的优势，有效地促进中医脉诊科学化和客观化。文献设计了基于虚拟现实技术的中医远程脉诊***，主要解决中医远程脉诊***实现的三个关键方面问题:1)患者能够协同医生完成切脉过程；2)医生能够获得患者脉象的指端感受；3)专家决策***辅助病症决策。
文献[杨宇航，李志忠，任晓丹，何鑫，苏曼迪，基于虚拟现实技术的中医针灸教学***,***仿真学报，2007，19(10):2379-2383]将虚拟现实技术应用于中医针灸教学与训练中，运用三维扫描和逆向工程的方法，研究建立了一个三维人体模型的VRML文件，在建立VRML格式小球来表示模型上的穴位点，用十四条细线来表示人体上的十四条经络，将人体模型，穴位小球，经络线以及穴位的说明文件整合在一起，完成了针灸教学辅助***的开发。该***可以辅助针灸师的学习，同时为普通群众提供一个就医的参考。
文献[王士勇,罗虹,张力,基于三维交互技术的腕踝针虚拟教学***的设计与实现，中国医学教育技术，2007，21(3):230-233]利用虚拟现实技术构建了腕踝针虚拟教学***，对身体的分区、针刺点的定位这两个教学重点内容进行形象直观地表达，实现学习者对三维人体模型的自由操控,使学习者可以自由选择观察角度、观察距离,对腕踝针疗法身体的分区和针刺点位置进行观察。结合具体的病例，运用虚拟现实技术模拟真实的诊疗过程。即学习者依据具体的病例，以虚拟实验的方法，对***创建的三维虚拟人体模型进行针刺点选择,并模拟进针手法。同时***会根据学习者的操作,提供针刺点选择是否正确以及相对进针深度的信息反馈,以便及时纠正学习者的错误操作。通过不同病例的模拟诊疗,不断强化学习者对教学要点的掌握和理解。
虚拟现实技术在骨科方面的主要应用在骨关节外科，已可将术前采集的CT、MRI等影像数据在虚拟现实的工作平台进行三维重建，并进行三维可视化，部分已实现了旋转、移动、模拟切骨、截骨、置入器械等功能。但大多绘制速度较慢，难以反映术中现实，缺乏实时性，对电脑硬件的要求高，且价格昂贵。从目前国内外现状看，将虚拟现实技术应用到中医正骨，提供交互式的正骨虚拟仿真用于教学的研究还未开展。
发明内容
本发明的第一目的在于针对现有技术中的中医正骨方法还无法虚拟仿真教学的问题，提供一种虚拟仿真正骨手法培训***。
本发明的第二目的在于提供一种上述虚拟仿真正骨手法培训***的建立方法。
为了达到上述第一目的，本发明采用的技术方案如下：
一种虚拟仿真正骨手法培训***，包括：
数据采集模块，用于将正骨过程的操作者虚拟人手位置和骨折骨断处位置的追踪，并通过显示模块将其显示到一显示器画面中，即通过位置追踪装置，将正骨过程中医师手部位置和骨折两端位置都追踪到，记录追踪目标的动作六度空间变化数据，精度位移在1毫米以内、空间角度在1度以内，以减少追踪过程的误差度；
显示模块，用于显示骨折骨断处和虚拟人手处的动态模型；
三维建模模块，用于构建骨折骨断处和虚拟人手的静态模型和动态模型；
碰撞检测模块，用来检测用户所操纵的虚拟人手是否与虚拟场景中病人的肌肤发生了碰撞；
形变计算模块，用于对在正骨的运动过程和肌肤的形变进行模拟；
正骨标准手法数据库，用于对正骨手法的标准手法进行存储和对常见的伤骨和骨折断面形态进行存储；
比较模块，用于将用户所操纵的正骨手法与标准手法进行比较；
所述三维建模模块分别与数据采集模块、显示模块、碰撞检测模块，形变计算模块、比较模块相连接，所述比较模块还分别与正骨标准手法数据库、显示模块相连接，所述碰撞检测模块还与形变计算模块相连接。
进一步地，所述三维建模模块中包括静态模型控制器和动态模型控制器，所述静态模型控制器用于生成骨折骨断处和虚拟人手处的骨骼和软组织结构，动态模型控制器用于构建骨骼和软组织的动态模型。
进一步地，所述正骨标准手法数据库通过对专家的手法进行收集，收集的数据包括正骨手法的人体姿态、手的姿态、施力方式和施力大小的数据。
进一步地，所述碰撞检测模块的检测贯穿于正骨仿真的整个过程中，并且在一定时间间隔内完成肌肤与虚拟人手、骨折部位两骨段之间的碰撞检测。
进一步地，所述形变计算模块中在计算手指的碰撞模型中使用球体扫掠体，在计算手掌的碰撞模型中使用组合方向包围盒方法。
为了达到上述第二目的，本发明采用的技术方案如下：
一种根据上述虚拟仿真正骨手法培训***的建立方法，包括以下步骤，
S1、虚拟人手的建模和动态控制，
通过三维软件实现对虚拟人手建模和动态控制，能够完成关节的基本手部动作；
S2、骨折端及肌肤的建模，
对于典型的骨折断端的几何模型的构建；
S3、手部模型的碰撞检测，
使用包围盒形体代替原有模型来进行形体碰撞的计算；
S4、采用有限元法进行变形检测，
使用有限元分析软件求解形变；
S5、建立正骨标准手法数据库，
针对同一类型的骨折，由专家进行手法复位演示，获得手的动作数据，并将相关的手法数据存入到正骨标准手法数据库中。
进一步地，所述步骤S1中，虚拟人手的形状只包含手腕、手掌、手指和关节部分，且几何模型的构建首先通过3dsMax建模工具完成，再通过OpenGL调用3dsMax模型进行重绘，并且在绘制几何模型时选择三角形网格的方式绘制虚拟人手。
进一步地，所述步骤S1中，虚拟人手动态控制时，虚拟人手的运动包括了移动、转动、摆动运动，这些运动受到各个关节的约束。
进一步地，所述步骤S2中，将皮肤、肌肉、脂肪设定为同一个软组织，在观察皮肤外观时，采用面模型进行建模，在骨折骨断端的仿真过程断面动画显示时，采用体模型建模。
进一步地，所述步骤S4中，采集专家手法复位动作时，获得手的动作数据，用统计学方法将数据拟合，生成一个标准动作轨迹，计算出专家多次手法的波动区间，对不同手法和骨折部位，按照关键施力点将手法过程划分为多个阶段。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过三维建模模块构建骨折骨断处的三维模型和虚拟人手的三维模型，操作者通过观看显示模块显示的骨折骨断处的仿真画面进行正骨操作，数据采集模块采集操作者的手部动作并通过显示模块显示的虚拟人手以演示，在演示的过程中，碰撞检测模块实时检测虚拟人手和骨折处是否有碰撞，形变计算模块计算有碰撞处的肌肤变形情况，再通过显示模块显示有碰撞变形后的虚拟画面，并且比较模块同时将操作者的手部动作与正骨标准手法数据库中的标准手法做对比，检测操作者的错误与不足，再通过显示模块显示，使得操作者学习改进。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所述虚拟仿真正骨手法培训***的结构示意图；
图2是本发明所述虚拟仿真正骨手法培训***的建立方法的方法原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1所示，本发明提供一种虚拟仿真正骨手法培训***包括：
数据采集模块1，用于将正骨过程的操作者虚拟人手位置和骨折骨断处位置的追踪，并通过显示模块2将其显示到一显示器画面中，即通过位置追踪装置，将正骨过程中医师手部位置和骨折两端位置都追踪到，记录追踪目标的动作六度空间变化数据，精度位移在1毫米以内、空间角度在1度以内，以减少追踪过程的误差度；
显示模块2，用于显示骨折骨断处和虚拟人手处的动态模型；
三维建模模块3，用于构建骨折骨断处和虚拟人手的静态模型和动态模型；
碰撞检测模块4，用来检测用户所操纵的虚拟人手是否与虚拟场景中病人的肌肤发生了碰撞；
形变计算模块5，用于对在正骨的运动过程和肌肤的形变进行模拟；
正骨标准手法数据库6，用于对正骨手法的标准手法进行存储和对常见的伤骨和骨折断面形态进行存储；
比较模块7，用于将用户所操纵的正骨手法与标准手法进行比较；
三维建模模块3分别与数据采集模块1、显示模块2、碰撞检测模块4，形变计算模块5、比较模块7相连接，比较模块7还分别与正骨标准手法数据库6、显示模块2相连接，碰撞检测模块4还与形变计算模块5相连接。
在本发明中，数据采集模块1采用“力学采集”和“位置追踪”的方法获取数据。以下是以Colles骨折为对象的手法数据采集举例：
一、“力学采集”数据的方法：
(一)病例选择
选择符合Colles骨折临床研究标准的全部30例患者。患者均有外伤史，伤后腕部疼痛并迅速肿胀，重者出现餐叉状畸形。腕关节，前臂旋转运动、手指的活动均因疼痛而受限。X线检查：骨远端骨折块向背侧、桡侧移位，骨折处向掌侧成角，桡骨短缩，骨折处背侧骨质嵌入或粉碎骨折，桡骨远端骨折块旋后。参与研究的患者均签署知情同意书后进行测量。
1.诊断标准(见附录1)
2.病例纳入标准(见附录1)
3.病例排除标准(见附录1)
(二)具体方法
1.采集指标：提按操作的力学参数——各手指作用力均值、峰值、作用时间。
2.正骨手法复位操作：邀请一位从事手法复位治疗的专家实施Colles骨折提按法复位操作，内容如下：
(1)帮助患者脱去患肢衣服，解释治疗的方法及目的，减轻患者恐惧心理，取得病人的合作。
(2)根据肢体畸形和X线照片的图象，先用手触摸其骨折部，手法先轻后重，从上到下，从近端到远端，了解骨折移位情况。
(3)患者仰卧位，肘部屈曲90°，前臂中立位。一助手把住上臂，另一助手两手扣紧大小鱼际肌，先顺势拔伸。
(4)术者双手拇指放在骨折远端背侧、双手余指置于近端的掌侧，拇指按压、余指向背侧端提，握手部的助手同时将腕掌屈、尺偏。
3.采集设备：
采用Tekscan多通道单点测力采集***(MELF system)。该***由美国Tekscan公司开发研制，由多通道计算机分析软件、数据采集器、Flexiforee传感器三部分组成。Flexiforee传感器由两层很薄的聚酯薄膜组成，每层薄膜上铺设银质导体并涂上特殊的压敏半导体材料，两片薄膜压合在一起形成传感器。银质导体从传感点处延伸至传感器的连接端，传感器点在电路中起电阻作用。受力为零时，电阻最大；力越大，电阻越小。当外力作用到传感点上时，传感点的阻值的倒数随外力成正比例变化。
4.采集方法：
运用MELF system采集提按法复位Colles骨折过程中术者双手1-4指对患者施加力量的大小和时间。先把一付7.5号乳胶手套的1-4指自中节指间关节以远剪下，将8片A401传感器用双面胶贴在指套内面的指腹部，用指套将传感器固定在各手指施力部位，信号线自手背部引出，接数据采集器，用弹力护腕固定在术者前臂中下段，8个数据采集器的USB接口通过HUB与计算机连接，然后，打开多通道计算机分析软件，加载校准文件，检查各传感器接通情况，状况良好后进行测量。
患者仰卧位，肘部屈曲90°，前臂中立位。一助手把住上臂，另一助手两手扣紧大小鱼际肌，先顺势拔伸；打开软件的录入功能，戴传感器的术者双手拇指放在骨折远端背侧、双手余指置于近端的掌侧，拇指按压、余指向背侧端提，握手部助手同时将腕尺偏。手法结束后，停止数据录入、保存数据。
二、“位置追踪”采集数据的方法：
为了达到骨折复位的目的，医师针对骨折部位、移位方式的不同而运用特定的手法，这些手法本质上也是一种人体的运动，它遵循人体运动学的规律。为了解正骨手法在Colles骨折复位中的运动特点，我们先确定专家和助手手部运动的关键点，在复位过程中对这些关键点的运动轨迹进行采集、分析，绘制出运动轨迹曲线，用算法求得这些轨迹曲线的平均曲线、曲线相似度的波动区间以及平均曲线的拟合函数方程式，初步建立该曲线的数学评价模型，实现该手法运动轨迹的客观化、数字化和可评价化；配合位置***的目的是实时收集手法产生的数据，下面具体介绍实时的方法。
(一)病例选择(同前)
1.诊断标准同(见附录1)
2.病例纳入标准(见附录1)
(二)具体方法
1.采集指标：提按正骨手法操作者拇指和助手手背的运动轨迹和时间。
2.正骨手法复位操作：(同前)
3.采集设备：
采用trakSTAR位置***(美国Ascension公司)，它是一款小型磁场传感跟踪***，原理是传感器在一定范围的磁场内产生微电流，经过处理后获取所处的空间位置XYZ以及三个偏转角。
4.采集方法：
将四个传感器编号后分别用胶带固定在操作者双拇指甲及握手部助手手背第3掌骨中点处。操作者左拇指为S1，右拇指为S2，助手左手背为S3，右手背为S4。4个传感器和磁波发生器与主机联接，再通过USB接口与计算机连接，将数据采集软件与硬件接通，采集时间间隔设为10毫秒。患者仰卧位，肘部屈曲90°，前臂中立位。一助手把住上臂，另一助手两手扣紧大小鱼际肌，先顺势拔伸；打开软件的录入功能，术者与助手实施提按正骨手法操作。手法结束后，停止数据录入、保存数据。
将有时间顺序的三维空间点坐标构成四维数据分解成以时间做为X轴，三维曲线的三个坐标值分别做为Y轴的三组二维数据，分别导入平均曲线及相似度算法程序，求出平均曲线数据以及平均曲线与各曲线的相似度波动区间。
在本发明中，通过三维建模模块3构建骨折骨断处的三维模型和虚拟人手的三维模型，三维模型传递给显示模块2显示，操作者通过观看显示模块2中显示的骨折骨断处的仿真画面进行正骨操作，数据采集模块1采集操作者的手部动作并通过显示模块2显示的虚拟人手以演示，在演示的过程中，碰撞检测模块4实时检测虚拟人手和骨折处是否有碰撞，形变计算模块5计算有碰撞处的肌肤变形情况，再通过显示模块2显示有碰撞变形后的虚拟画面，并且比较模块7同时将操作者的手部动作与正骨标准手法数据库6中的标准手法做对比，检测操作者的错误与不足，再通过显示模块显示，使得操作者学习改进，通过该虚拟仿真正骨手法培训***，可以有效的通过虚拟仿真的方法，对中医正骨的方法进行教学。
在本实施例中，三维建模模块3中包括静态模型控制器和动态模型控制器，静态模型控制器用于生成骨折骨断处和虚拟人手处的骨骼和软组织结构，动态模型控制器用于构建骨骼和软组织的动态模型，虚拟人手的模型需要和数据采集模块1交互，配合位置***(光学位置追踪器或电磁位置追踪器)，获取人手的手势信息和位置信息，从而对虚拟人手进行控制。除了对骨折骨断处和虚拟人手进行建模以外，还可以对虚拟正骨场景进行建模，如正骨台、正骨用椅、支架等模型。对皮肤、肌肉、脂肪等组织进行简化处理，认为它们是同一个软组织，主要采用面模型和体模型结合进行几何建模，当观察皮肤外观时，采用面模型进行建模；在骨折骨断端的复正仿真过程断面动画显示时，采用体模型建模。软组织的物理模型采用mass-spring模型。将软组织看成是一个质量阻尼***。
正骨标准手法数据库6通过对专家的手法进行收集，收集的数据包括正骨手法的人体姿态、手的姿态、施力方式和施力大小的数据。由专家进行手法复位，获得手的动作数据，用统计学方法将数据拟合，生成一个标准动作轨迹，计算出专家多次手法的波动区间。对不同手法和骨折部位，按照关键施力点将手法过程划分为多个阶段，并将对关键施力点的专家动作方向进行抽象，建立手法数据库模式并将相关的手法数据存入到数据库。
碰撞检测模块4的检测贯穿于正骨仿真的整个过程中，并且在一定时间间隔内完成肌肤与虚拟人手、骨折部位两骨段之间的碰撞检测。
形变计算模块5中在计算手指的碰撞模型中使用球体扫掠体，在计算手掌的碰撞模型中使用组合方向包围盒方法。为了表现变形的过程，把质量和阻尼加到模型中，将变形过程看成是一个动态的线弹性有限元***，通过数值计算来求解形变。
参阅图2所示，本发明还提供一种根据上述虚拟仿真正骨手法培训***的建立方法，包括以下步骤，
S1、虚拟人手的建模和动态控制，
通过三维软件实现对虚拟人手建模和动态控制，能够完成关节的基本手部动作；要做到数据采集模块1与虚拟人手的建模除了需要构建几何模型外，还需要构建的运动进行建模，这涉及到骨骼体积和质心计算方案、骨骼转动方案、关节约束方案、肌肤拉伸变形模拟方案的研究和选取。把人手看成是多杆多铰链的结构，关节链上不同部位的关节实现不同级别的运动的，并具有由上至下的传递特性，构成手模型、手掌模型、手指模型、关节模型的层次关系和关联关系。同一级别的关节具有相同或相似的特点，不同级别的关节具有上下级的层次依附关系，形成具有横向和纵向的相关性和不相关性。关联性主要体现在图形坐标系的相关性上。虚拟人手的坐标系原点设定在手腕运动的支点处，并设定手指的关节作为手指指节模型的坐标原点。虚拟人手的整体坐标系和局部坐标系的关联。虚拟人手的运动包括了移动、转动、摆动等运动，这些运动受到各个关节的约束。虚拟人手的运动由虚拟人手本身作为整体的运动和由多个关节的简单运动复合而成的手势运动组成。最终的复合运动可以看成是由简单的移动、转动、摆动等经过若干次的叠加而成的。为了把数据采集模块1所采集的手势信息传递给虚拟人手，在数据采集模块1的传感器和虚拟手的关节、手和手腕等之间建立了一一对应的映射关系的映射，实时地改变虚拟手的手势，控制其运动。模型建立以后需要对模型进行验证，验证***中可以对手部模型进行十分灵活的控制，基本能够做到人手实际能完成的姿势，模型也能够完成，甚至于一些相对于实际而言更高难度的动作也可以完成，也就是说，演示***中手部模型的自由度与现实中的手的自由度是无异的。所以手部模型能够完成形如抓取，弯曲，握拳等基本的手部动作。
S2、骨折端及肌肤的建模，
对于典型的骨折断端的几何模型的构建；这需要对常见的伤骨的断面进行收集整理分析，提取典型的骨折断面形态。而且要模拟骨折骨段在受力情况下运动情况，需要在几何模型的基础上构建骨折部位的物理模型。
通过对于典型的骨折断端的几何模型的构建，采用的CT、MRI等影像数据在虚拟现实的工作平台进行三维重建，再将模型导入到3dsMax工具进行进一步处理，得到能够被OpenGL处理的模型。并且对皮肤、肌肉、脂肪等组织进行简化处理，认为它们是同一个软组织，主要采用面模型和体模型结合进行几何建模，当观察皮肤外观时，采用面模型进行建模；在骨折骨断端的复正仿真过程断面动画显示时，采用体模型建模。软组织的物理模型采用mass-spring模型。将软组织看成是一个质量阻尼***。
S3、手部模型的碰撞检测，
使用包围盒形体代替原有模型来进行形体碰撞的计算；用细致的球体扫掠体(圆柱体的两端带有半球形突出)作为手指的包围盒，而手掌部分则可以使用组合的方向包围盒方法。但是，由于采用了球体扫掠体，计算的复杂度大大增加。所以运用层次包围盒的方法，最大化的简化了运算次数，使整个演示***在保障精确度的同时，在效率上也能达到一个平衡。层次包围盒技术的总体思想是先用最简单的包围盒将整个形体包围，最初只需计算这些简单的包围盒直接的碰撞，若结果显示为碰撞，则再进行后续更加贴合的包围盒部分的检测计算。当检测到发生碰撞的时候，就可以根据两个碰撞包围盒之间的最近点连线，获得模型上的碰撞点。得到碰撞点之后，就能够进行后续的形变工作。
S4、采用有限元法进行变形检测，
使用有限元分析软件求解形变；为了表现变形的过程把质量和阻尼加到模型中，将变形过程看成是一个动态的线弹性有限元***，通过数值计算来求解形变。有限元模型由相互连接的子域(单元)所构成，其模型给出了基本方程的分片(子域)近似解，由于连续体(或物体)可以被分割成为各种形状和大小不同尺寸的单元(子域)，所以它能够适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。现有技术中采用有限元分析方法计算变形过程已是现有技术在此不做敷述。
S5、建立正骨标准手法数据库，
针对同一类型的骨折，由专家进行手法复位演示，获得手的动作数据，并将相关的手法数据存入到正骨标准手法数据库6中。针对同一类型的骨折，选择多例患者，由专家进行模拟手法复位，获得手的动作数据，用统计学方法将数据拟合，生成一个标准动作轨迹，计算出专家多次手法的波动区间。
对不同手法和骨折部位，按照关键施力点将手法过程划分为多个阶段，并将对关键施力点的专家动作方向进行抽象，建立手法数据库模式并将相关的手法数据存入到数据库。
步骤S5又可包括以下步骤，
S51、运用测力采集***获取专家模拟操作时各手指在对患者复位过程中对患肢施加的力量值，总结提按手法操作的力学特征；
S52、运用位置跟踪***获取专家模拟操作时手部关键点在复位过程中的运动轨迹；
S54、建立专家手法的力学模型和评价模型；建立该操作者提按手法的运动轨迹模型及评价模型；
S55、建立患者骨折手臂的三维虚拟模型和实体模型；建立操作者手部模型，实现提按手法的三维可视化虚拟还原。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。
附录1：诊断标准、纳入/排除/剔除标准等相关标准；
Colles骨折诊断标准
参考国家中医药管理局《中医病证诊断疗效标准》伸直型桡骨下端骨折：
(1)有外伤史，多为间接暴力所致；
(2)伤后腕关节周围肿胀、疼痛，前臂下端呈"餐叉样"畸形，腕背侧可扪及骨折远端骨突，压痛明显，腕臂活动功能障碍；
(3)X线摄片检查可见骨折远端向背侧移位。
病例纳入标准
(1)符合上述西医诊断标准及中医诊断标准者；
(2)未经任何方法治疗者；
(3)成年人，男女均不限；
(4)自愿接受手法复位治疗者；
(5)一次手法复位后骨折端达到解剖及功能复位者。
病例排除标准
(1)不完全骨折、青枝骨折；
(2)妊娠或哺乳期妇女；
(3)开放性骨折者；
(4)合并有心血管、肝、肾和造血***等严重原发性疾病，精神病患；
(5)伴有皮肤破损者。骨折周围血管，肌键，神经受损伤；
(6)不配合治疗者；
(7)陈旧性骨折；
(8)病理性骨折；
(9)一次手法复位未达到功能复位者。
Claims (10)
1.一种虚拟仿真正骨手法培训***，其特征在于，包括：
数据采集模块(1)，通过位置追踪装置，将正骨过程中医师手部位置和骨折两端位置都追踪到，记录追踪目标的动作六度空间变化数据，并通过显示模块(2)将其显示到一显示器画面中；
显示模块(2)，用于显示骨折骨断处和虚拟人手处的动态模型；
三维建模模块(3)，用于构建骨折骨断处和虚拟人手的静态模型和动态模型；
碰撞检测模块(4)，用来检测用户所操纵的虚拟人手是否与虚拟场景中病人的肌肤发生了碰撞；
形变计算模块(5)，用于对在正骨的运动过程和肌肤的形变进行模拟；
正骨标准手法数据库(6)，用于对正骨手法的标准手法进行存储和对常见的伤骨和骨折断面形态进行存储；
比较模块(7)，用于将用户所操纵的正骨手法与标准手法进行比较；
所述三维建模模块(3)分别与数据采集模块(1)、显示模块(2)、碰撞检测模块(4)，形变计算模块(5)、比较模块(7)相连接，所述比较模块(7)还分别与正骨标准手法数据库(6)、显示模块(2)相连接，所述碰撞检测模块(4)还与形变计算模块(5)相连接。
2.根据权利要求1所述的虚拟仿真正骨手法培训***，其特征在于：所述三维建模模块(3)中包括静态模型控制器和动态模型控制器，所述静态模型控制器用于生成骨折骨断处和虚拟人手处的骨骼和软组织结构，动态模型控制器用于构建骨骼和软组织的动态模型。
3.根据权利要求2所述的虚拟仿真正骨手法培训***，其特征在于：所述正骨标准手法数据库(6)通过对专家的手法进行收集，收集的数据包括正骨手法的人体姿态、手的姿态、施力方式和施力大小的数据。
4.根据权利要求3所述的虚拟仿真正骨手法培训***，其特征在于：所述碰撞检测模块(4)的检测贯穿于正骨仿真的整个过程中，并且在一定时间间隔内完成肌肤与虚拟人手、骨折部位两骨段之间的碰撞检测。
5.根据权利要求3所述的虚拟仿真正骨手法培训***，其特征在于：所述形变计算模块(5)中在计算手指的碰撞模型中使用球体扫掠体，在计算手掌的碰撞模型中使用组合方向包围盒方法。
6.一种权利要求1所述虚拟仿真正骨手法培训***的建立方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、虚拟人手的建模和动态控制，
通过三维软件实现对虚拟人手建模和动态控制，能够完成关节的基本手部动作；
S2、骨折端及肌肤的建模，
对于典型的骨折断端的几何模型的构建；
S3、手部模型的碰撞检测，
使用包围盒形体代替原有模型来进行形体碰撞的计算；
S4、采用有限元法进行变形检测，
使用有限元分析软件求解形变；
S5、建立正骨标准手法数据库，
针对同一类型的骨折，由专家进行手法复位演示，获得手的动作数据，并将相关的手法数据存入到正骨标准手法数据库(6)中。
7.根据权利要求6所述的虚拟仿真正骨手法培训***的建立方法，其特征在于：所述步骤S1中，虚拟人手的形状只包含手腕、手掌、手指和关节部分，且几何模型的构建首先通过3dsMax建模工具完成，再通过OpenGL调用3dsMax模型进行重绘，并且在绘制几何模型时选择三角形网格的方式绘制虚拟人手。
8.根据权利要求7所述的虚拟仿真正骨手法培训***的建立方法，其特征在于：所述步骤S1中，虚拟人手动态控制时，虚拟人手的运动包括了移动、转动、摆动运动，这些运动受到各个关节的约束。
9.根据权利要求8所述的虚拟仿真正骨手法培训***的建立方法，其特征在于：所述步骤S2中，将皮肤、肌肉、脂肪设定为同一个软组织，在观察皮肤外观时，采用面模型进行建模，在骨折骨断端的仿真过程断面动画显示时，采用体模型建模。
10.根据权利要求9所述的虚拟仿真正骨手法培训***的建立方法，其特征在于：所述步骤S5中，采集专家手法复位动作时，获得手的动作数据，用统计学方法将数据拟合，生成一个标准动作轨迹，计算出专家多次手法的波动区间，对不同手法和骨折部位，按照关键施力点将手法过程划分为多个阶段，以便对比判定正骨手法的正确与错误。
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Legal Events
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| COR | Change of bibliographic data | ||
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