CN108335754A - 一种交互式心脏介入手术模拟器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种心脏介入手术模拟器，包括数据导入模块、三维建模模块、模拟导管、人机交互设备和控制器；数据导入模块用于导入心脏解剖的二维图像；三维建模模块根据二维图像构造心脏数字三维模型；人机交互设备接收训练者输入的控制指令，控制器根据控制指令确定模拟导管的控制参数，以控制模拟导管的位移朝向以及模拟导管与其他物体之间的阻尼系数；根据位置交互影响数和速度交互影响数，确定模拟导管的头端的实际偏移量，根据实际偏移量，控制模拟导管的头端***心脏数字三维模型的目标位置，模拟导管头端以使训练者模拟手术过程中的导管操作过程。缩短心脏介入手术的学习周期，提高手术者的操作技巧，以降低手术风险。

Description

一种交互式心脏介入手术模拟器
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具体涉及一种心脏介入手术模拟器。
背景技术
心血管疾病是威胁人类健康的头号杀手，发病率以及致残、致死率居高不下。心脏介入手术近10年来已经成为该类疾病的重要治疗手段。所谓“介入”是指医师通过从病人体表途径(血管)***导管进入心脏，从而达到诊断和治疗的作用。这类手术不同于传统的“外科手术刀切开暴露”，手术者在X射线投射下的二维视角下，在三维的器官中完成操作。这样的术式需要手术者具有“把二维看成三维”的能力，学习周期长，手术风险高。
因此，如何缩短心脏介入手术的学习周期，提高手术者的操作技巧，以降低手术风险，是本领域技术人员亟需解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种心脏介入手术模拟器，缩短了心脏介入手术的学习周期，提高了手术者的操作技巧，以降低手术风险。
为实现上述目的，本发明提供一种心脏介入手术模拟器，包括数据导入模块、三维建模模块、模拟导管、人机交互设备和控制器；
所述数据导入模块(10)用于导入心脏解剖的二维图像；
所述三维建模模块(11)用于根据所述二维图像构造所述心脏数字三维模型；
所述人机交互设备(13)用于接收训练者输入的控制指令；
所述控制器(14)用于根据所述控制指令确定所述模拟导管(12)的控制参数，以控制所述模拟导管(12)的位移朝向以及所述模拟导管(12)与其他物体之间的阻尼系数；根据位置交互影响数和速度交互影响数，确定模拟导管(12)的头端的实际偏移量，根据所述实际偏移量，控制所述模拟导管(12)的头端***所述心脏数字三维模型的目标位置，模拟导管头端以使训练者模拟手术过程中的导管操作过程。
进一步地，上述所述的心脏介入手术模拟器，还包括二维影像显示模块；
所述二维影像显示模块用于显示所述心脏数字三维模型不同***对应的二维影像，以使所述训练者建立心脏的二维影像与三维解剖之间的关联关系。
进一步地，上述所述的心脏介入手术模拟器，所述控制器还用于对所述心脏数字三维模型中目标角度的部位进行透明化处理。
进一步地，上述所述的心脏介入手术模拟器，所述控制器通过对所述目标角度的部位的材质进行处理，使所述目标角度的部位透明化。
进一步地，上述所述的心脏介入手术模拟器，还包括虚拟现实模块；
所述虚拟现实模块用于搭建所述心脏数字三维模型和所述模拟导管的虚拟场景，以使所述训练者利用虚拟现实设备在所述虚拟场景中对所述心脏数字三维模型和所述模拟导管进行操作。
进一步地，上述所述的心脏介入手术模拟器，还包括碰撞检测模块；
所述碰撞检测模块用于在所述虚拟场景中实现心脏介入手术中所需的碰撞要求，以便所述训练者精准的完成手术训练。
进一步地，上述所述的心脏介入手术模拟器，所述碰撞检测模块采用物理运算引擎Physx实现。
进一步地，上述所述的心脏介入手术模拟器，还包括存储模块；
所述存储模块用于存储所述心脏数字三维模型。
进一步地，上述所述的心脏介入手术模拟器，还包括考核模块；
所述考核模块用于对所述训练者的手术技能进行评测，以得到评测结果。
本发明的心脏介入手术模拟器，通过数据导入模块10导入心脏解剖的二维图像后，由三维建模模块11构建心脏解剖的二维图像对应的心脏数字三维模型，并利用控制器14控制模拟导管12的位移朝向以及模拟导管12与其他物体之间的阻尼系数，根据位置交互影响数和速度交互影响数，确定模拟导管12的头端的实际偏移量，以根据模拟导管12的头端的实际偏移量，控制模拟导管12的头端***心脏数字三维模型的目标位置，实现了训练者模拟手术过程中的导管操作过程。采用本发明的技术方案，能够缩短心脏介入手术的学习周期，提高手术者的操作技巧，以降低手术风险。
附图说明
图1为本发明的心脏介入手术模拟器实施例1的结构示意图；
图2为本发明的心脏介入手术模拟器实施例2的结构示意图；
图3为本发明的心脏介入手术模拟器实施例3的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本实施例技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实施例保护的范围。
说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的部分，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示的以外的顺序实施。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
图1为本发明的心脏介入手术模拟器实施例1的结构示意图，如图1所示，本实施例的心脏介入手术模拟器包括数据导入模块10、三维建模模块11、模拟导管12、人机交互设备13和控制器14。
例如，可以采集多个心脏解剖的二维图像，并通过数据导入模块10将心脏解剖的二维图像导入到三维建模模块11中，由三维建模模块11根据该二维图像和基于心脏数字三维建模技术构造心脏数字三维模型。其中，本实施例中心脏数字三维模型优选为动态心脏数字三维模型，以真实模拟人的心脏。
当构建好心脏数字三维模型后，为了使训练者能够模拟现实手术过程中的导管操作过程，本实施例中，可以通过自动焊接技术将多段模拟导管进行无缝焊接，得到所需要的模拟导管，并通过人机交互设备13输入相关的控制指令，使控制器14根据该控制指令确定模拟导管12的控制参数，以控制模拟导管12的位移朝向以及模拟导管12与其他物体之间的阻尼系数，实现接近真实的物理效果，并根据位置解算器得到的位置交互影响数和速度交互影响数，确定模拟导管12的头端的实际偏移量。例如，本实施例中模拟导管12的控制参数可以包括模拟导管12的线性阻尼，角度阻尼，质心偏移量，质量标度等参数。
本实施例中，在确定模拟导管12的头端的实际偏移量后，可以根据模拟导管12的头端的实际偏移量，控制模拟导管12的头端***心脏数字三维模型的目标位置，以使训练者模拟手术过程中的导管操作过程。
本实施例的心脏介入手术模拟器，通过数据导入模块10导入心脏解剖的二维图像后，由三维建模模块11构建心脏解剖的二维图像对应的心脏数字三维模型，并利用控制器14控制模拟导管12的位移朝向以及模拟导管12与其他物体之间的阻尼系数，根据位置交互影响数和速度交互影响数，确定模拟导管12的头端的实际偏移量，以根据模拟导管12的头端的实际偏移量，控制模拟导管12的头端***心脏数字三维模型的目标位置，实现了训练者模拟手术过程中的导管操作过程。采用本发明的技术方案，能够缩短心脏介入手术的学习周期，提高手术者的操作技巧，以降低手术风险。
实施例2
图2为本发明的心脏介入手术模拟器实施例2的结构示意图，如图2所示，本实施例的心脏介入手术模拟器在图1所示实施例的基础上进一步还包括二维影像显示模块15。
在实际应用中，训练者需要对心脏的具体结构进行了解，以便更好的进行手术，为了提高训练者“把二维看成三维”的能力，本实施例可以利用二维影像显示模块15显示心脏数字三维模型不同***对应的二维影像，以使训练者在脑海中建立心脏的二维影像与三维解剖之间的关联关系。
由于心脏的某些角度无法看清，或者心脏内部的结构无法看清，使得训练者无法清晰的了解心脏结构，因此，本实施例中，控制器14还用于对心脏数字三维模型中目标角度的部位进行透明化处理。具体地，控制器14通过对目标角度的部位的材质进行处理，使目标角度的部位透明化。例如，训练者可以利用控制器14拖动心脏数字三维模型至任意的角度，并对每一个角度正对用户的面自动透明化，方便看清导管以及心脏内部结构。
需要说明的是，本实施例中控制器14可以在训练手术前对心脏数字三维模型中目标角度的部位进行透明化处理，也可以在训练手术中对心脏数字三维模型中目标角度的部位进行透明化处理，本实施例不做具体限制。
在实际应用中，每个训练者在训练前都构造心脏数字三维模型会比较浪费时间，因此，如图2所示，本实施例的心脏介入手术模拟器还包括存储模块18，每当构建心脏解剖的二维图像对应的心脏数字三维模型后，均可以由存储模块18进行存储，以便后续直接从存储模块18调用即可。
实施例3
图3为本发明的心脏介入手术模拟器实施例3的结构示意图，如图3所示，本实施例的心脏介入手术模拟器在图2所示实施例的基础上进一步还包括虚拟现实模块16。
本实施例中，为了能够使训练者能够更好的学习心脏介入手术，可以利用虚拟现实模块16搭建心脏数字三维模型和模拟导管12的虚拟场景，这样，训练者戴上虚拟现实设备后，心脏数字三维模型和模拟导管12则可以产生三维视觉成像，使训练者身临其境，在虚拟场景中对心脏数字三维模型和模拟导管12进行操作。
如图3所示，本实施例的心脏介入手术模拟器还包括碰撞检测模块17，该碰撞检测模块17用于在虚拟场景中实现心脏介入手术中所需的碰撞要求，以便训练者精准的完成手术训练。
例如，本实施例中的碰撞检测模块17采用物理运算引擎Physx实现，在碰撞过程中，对于虚拟场景中的物体附加了碰撞查询***，主要有射线检测碰撞(raycast)，扫描检测碰撞(sweep)和交互检测碰撞(overlap)。其中，每一种碰撞都会返回一类或者多类结果，每个查询都会遍历一个包含场景对象的筛选结果，并使用几何查询函数执行一个精确的碰撞检测，并积累结果，从而实现精确的碰撞，以便手术者可以精准的完成手术。
本实施例利用虚拟现实技术，使得训练者能够身临其境，更真实的了解心脏结构，掌握心脏手术中可能会遇到的一些问题，从而在实际手术中更加得心应手。同时缩短手术成熟周期，从而缓解目前的供求矛盾、降低手术并发症的风险。
如图3所示，本实施例的心脏介入手术模拟器还包括考核模块19，该考核模块19用于对训练者的手术技能进行评测，以得到评测结果，以便于训练者能够快速取得进行心脏介入手术的资格证书等。
例如，训练者可以通过注册登录以使用心脏介入手术模拟器进行训练，并当达到一定训练课时或者自己认为已经达到训练要求，其可以利用考核模块19申请考核，训练者进入虚拟场景，以完成手术所需的各个环节，考核模块会采集到训练者在虚拟环境中完成手术的各环节的操作数据，并发送给审核人员，由审核人员对训练者进行打分，或者，考核模块根据预设的打分准则，对训练者进行打分，或者根据审核人员的打分和考核模块的打分进行综合打分，本实施例不做具体限制。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种心脏介入手术模拟器，其特征在于，所述模拟器包括数据导入模块(10)、三维建模模块(11)、模拟导管(12)、人机交互设备(13)和控制器(14)；
所述数据导入模块(10)用于导入心脏解剖的二维图像；
所述三维建模模块(11)用于根据所述二维图像构造所述心脏数字三维模型；
所述人机交互设备(13)用于接收训练者输入的控制指令；
所述控制器(14)用于根据所述控制指令确定所述模拟导管(12)的控制参数，以控制所述模拟导管(12)的位移朝向以及所述模拟导管(12)与其他物体之间的阻尼系数；根据位置交互影响数和速度交互影响数，确定模拟导管(12)的头端的实际偏移量，根据所述实际偏移量，控制所述模拟导管(12)的头端***所述心脏数字三维模型的目标位置，模拟导管头端以使训练者模拟手术过程中的导管操作过程。
2.根据权利要求1所述的心脏介入手术模拟器，其特征在于，所述模拟器还包括二维影像显示模块(15)；
所述二维影像显示模块(15)用于显示所述心脏数字三维模型不同***对应的二维影像，以使所述训练者建立心脏的二维影像与三维解剖之间的关联关系。
3.根据权利要求1所述的心脏介入手术模拟器，其特征在于，所述控制器(14)还用于对所述心脏数字三维模型中目标角度的部位进行透明化处理。
4.根据权利要求3所述的心脏介入手术模拟器，其特征在于，所述控制器(14)通过对所述目标角度的部位的材质进行处理，使所述目标角度的部位透明化。
5.根据权利要求1-4任一项所述的心脏介入手术模拟器，其特征在于，所述模拟器还包括虚拟现实模块(16)；
所述虚拟现实模块(16)用于搭建所述心脏数字三维模型和所述模拟导管(12)的虚拟场景，以使所述训练者利用虚拟现实设备在所述虚拟场景中对所述心脏数字三维模型和所述模拟导管(12)进行操作。
6.根据权利要求5所述的心脏介入手术模拟器，其特征在于，所述模拟器还包括碰撞检测模块(17)；
所述碰撞检测模块(17)用于在所述虚拟场景中实现心脏介入手术中所需的碰撞要求，以便所述训练者精准的完成手术训练。
7.根据权利要求6所述的心脏介入手术模拟器，其特征在于，所述碰撞检测模块(17)采用物理运算引擎Physx实现。
8.根据权利要求1-4任一项所述的心脏介入手术模拟器，其特征在于，所述模拟器还包括存储模块(18)；
所述存储模块(18)用于存储所述心脏数字三维模型。
9.根据权利要求1-4任一项所述的心脏介入手术模拟器，其特征在于，所述模拟器还包括考核模块(19)；
所述考核模块(19)用于对所述训练者的手术技能进行评测，以得到评测结果。
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