CN113920807A - 一种骨切削手术教学训练*** - Google Patents
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Abstract
本发明旨在搭建一种骨切削手术教学训练***。所述方法的具体步骤为：1.通过已公开的CT云数据库将其数据导入MIMICS软件***，用以构建虚拟骨骼模型；2.将以已构建的骨骼模型导入ABAQUS进行有限元仿真模拟；3.训练医师通过操作实物骨切削装置进行骨切削训练；4.训练医师在操作骨切削训练装置的同时通过力传感器、测距传感器、温度传感器等实现数据采集并上传至上位机，对当前骨切削过程进行模拟；7.建立模拟训练教学评定***；所述方法利用技术构建模拟手术教学体系,为医院和医学院校提供了广阔而透明的仿真教学和研究平台。
Description
技术领域
本发明涉及计算机医学领域，具体提供将传统工科与医科相结合的具有进步意义的骨切削手术教学训练***。
背景技术
医学模拟教育早在20世纪60年代就以标准化病人和医学模拟人的形式报道出现，随着虚拟仿真技术的日益成熟，人们对患者安全的关注度提高，医师在患者身上实践的机会越来越少，虚拟仿真模拟教学方式在医学教学中的接受度也在不断地提高,虚拟仿真可以利用各种模拟手段，再现临床工作中的场景，为学习者提供一个无风险的学习条件。我们知道，在培养一名年轻骨科医师的过程中，由于其手术类型的特殊性以及高昂的骨骼修复材料，使得每培养一位成熟的骨科医生的代价都会比较大。
目前国内很多单位都开展了虚拟手术仿真技术的研究，其中有对于外科医生手术操作训练用的鼻腔镜手术仿真***，该***基于 SensAble公司的 PHANTOM 力反馈设备，利用虚拟现实技术来表现鼻腔镜手术过程中对鼻腔解剖结构的漫游以及对有关鼻腔组织的手术操作反应，该***提供的实时高分辨率的视觉和力觉反馈具有很强的真实感，为虚拟现实技术在手术仿真训练中的实用化探索了一条有益的路子。巴基斯坦NUST设计了一款基于医学仿真框架SOFA开发的一款内窥镜微创手术仿真器SmartSim。该仿真器包括交互设备、显示器与仿真***。该仿真器的交互设备，器械的各个关节均装有传感器，用户在进行手术器械操作时，***可以读取操作器的运动与信息状态，控制虚拟器械在仿真环境中做出相应动作。当用户操作器械控制虚拟器械在仿真环境中与物体进行交互时，虚拟器械模型与器官模型之间会首先进行碰撞检测，如果有碰撞会根据碰撞信息产生交互作用，例如器官形变的大小并根据此计算器官受到的压力，再将此压力反馈给操作者。操作者可以根据力反馈感受器械与器官组织之间的接触，从而调节自己的操作。在该仿真器中，设计了两种训练项目，分别为微创手术器械的夹持操作与器官的切割。骨切削手术模拟中的力觉建模最关键的问题是如何在实时性和力觉计算的精确性之间达到平衡。
在现有的模拟手术***中，我们不难发现其缺点：1.整体***较为昂贵，其模拟成本并不低于动物手术模拟、橡胶人模拟等传统教学手段，2.模拟过程不可量化评估，不能形成较为完善的模拟骨切削***；3.模拟过程较为虚拟，无实物参照，目前主流模拟手术***均采用VR在内的虚拟现实技术，虽然一定程度上减少了教学成本，但仍然与实际操作存在差异性，不能较为完整的还原骨切削手术过程中的各种实际操作细节。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种骨切削手术教学训练***，用以解决由于
现阶段缺少关于骨切削手术教学模拟的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种搭建骨切削教学训练***的方法，其中包括以下步骤：A1、搭建手术训练环境，包括操作平台、实物模拟骨、智能骨钻、数据采集及成像***。A2、搭建手术模拟环境，包括待训练虚拟骨骼、待训练虚拟手术器械。A3、将所述手术训练环境与手术模拟环境相关设备进行绑定，对训练手术环境中实物模拟骨与智能骨钻之间的空间位置变化及其运动状态，采集并上传相关数据（包括进给力、进给速度、刀具转速、切削温度）至虚拟手术环境中。A4、根据A3所采集数据进行运算分析，由此模拟训练手术环境中骨材料（模拟骨）与智能骨钻之间的相对变化情况，以此达到模拟仿真的目的。A4、根据A3所采集数据进行运算分析，由此分析训练手术环境中实物模拟骨与智能骨钻之间的空间位置变化，并在数据成像***中进行模拟，以此达到模拟仿真的目的。A5、通过训练医师操作器材，实时模拟骨切削过程中训练医师的各种操作细节，并于预输入的标准骨切削过程进行对比评估。A6、采用SQLSERVER 数据库建立标准化骨切削过程评估体系，通过对模拟骨的各项切削效果模拟进行权重赋值，并对训练医师操作结果进行量化评估，根据具体操作效果给出较为综合的评价报告。A7、采用数据采集的方法保存训练医师操作的完整过程，保留实物模拟骨骼切削后的部分，并留存以供综合评估。
所述的搭建方法，其中，步骤A1所述的手术训练环境是实际手术训练环境，所述实际训练对象是实物模拟骨，所述实际训练工具是智能骨钻。
所述的搭建方法，其中，所述的手术训练环境中，实物模拟骨由与骨骼莫氏硬度相当的材料制成。
所述的搭建方法，其中，所述的手术训练环境中，智能骨钻由骨钻与相关传感器共同组成。智能骨钻所安装的传感器为力传感器、测距传感器、转速传感器。骨钻为市面上常见骨钻。
所述的搭建方法，其中，步骤A1所述的手术训练环境中，操作平台由骨骼固定装置与温度传感器、力传感器共同组成。
所述的搭建方法，其中，步骤A1所述的手术训练环境中，数据采集及成像***由数据采集***与模拟成像***构成。
所述的搭建方法，其中，步骤A1所述的手术训练环境中，数据采集***由安装在操作平台及智能骨钻上的各个传感器共同组成。
所述的搭建方法，其中，所述的手术训练环境中，模拟成像***由成熟的医学成像软件MIMICS***与有限元仿真模拟软件ABAQUS***所构成的联合仿真***构成。
所述的搭建方法，其中，步骤A2所述的手术模拟环境中，所述待训练虚拟骨骼、待训练虚拟手术器械由联合仿真***生成。
所述的搭建方法，其中，虚拟骨骼的模型由开源CT数据库DeepLesion 所提供的骨骼CT数据导入MIMICS***获得，并通过其自带的FEA（有限元分析）接口将其导入ABAQUS有限元仿真软件中进行有限元分析，并根据骨骼特征、特性进行分类标注等二次预处理。虚拟手术器械则由ABAQUS***进行仿真绘制。
所述的搭建方法，其中，预处理后的骨骼将由GPU并行加速的统一粒子框架CSDynamic进行虚拟骨骼及虚拟手术器械进行物理特性的赋予。
所述的搭建方法，其中，步骤A3所述的手术训练环境与手术模拟环境相关设备进行绑定采取物理绑定的方法，将传感器采集的数据通过总线接口直接由数据采集及成像***的相应总线直接读取传感器的信号。
所述的搭建方法，其中，步骤A4所述的仿真模拟采用光线追踪算法，通过计算射入相机的光线经过折射、反射等真实光学传播过程中的衰减和叠加得到包括骨骼所处环境、虚拟手术器械、骨骼本身等的颜色。
所述的搭建方法，步骤A4所述骨切削过程中采用物理近似模型Torrance-Sparrow模型进行实时渲染。
所述的搭建方法，其中，步骤A5所述的预输入的标准骨切削过程数据由经验丰富的医生操作该教学训练***采集得到。
所述的搭建方法，其中，步骤A6所述的SQL SERVER数据库建立标准化骨切削过程评估体系由经验丰富的医生操作该教学训练***，经过多次采集并对数据库进行不断更新得到，通过对各个操作过程产生的数据点进行权值的赋予，得到一个完整的评估体系。
所述的搭建方法，其中，步骤A7所述的训练医师操作过程的保存由SQL SERVER数据库为基础进行保存。
附图说明
图1是本发明的总体流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施方式中的附图和具体实例，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。
本发明实施例提供的一种骨切削手术教学训练***，，包括：操作平台、实物模拟骨、带有测距传感器、力传感器、转速传感器的智能骨钻、数据采集及成像***、基于SQLSERVER 数据库的骨切削教学量化评估***；其中，
操作平台用于固定模拟骨，并安装力传感器、温度传感器；
实物模拟骨用于实物操作智能骨钻进行切削训练，并在训练后保存以供检查评估；
带有相关传感器的智能骨钻用于在骨切削训练过程中，训练医师操作其进行骨切削训练，并通过所安装的测距传感器、力传感器和转速传感器以及操作平台上所安装的温度传感器，对骨切削过程进行一个简单的数据采集汇总，将手术器械及实物模拟骨的各项数据通过总接线口导入给数据采集及成像***；
数据采集及成像***，用于运行医学影像处理软件，将模拟骨的医学CT 扫描图像生成模拟骨的三维模型；运行MIMICS软件，ABAQUS显示环境中导入和显示模拟骨的三维模型、骨切削模拟流程和虚拟手术器械；通过智能骨钻的数据更新虚拟手术器械的状态，根据接收的模拟骨数据，实时更新模拟骨的三维模型的状态。
基于SQL SERVER 数据库的骨切削教学量化评估***，将训练医师操作过程中的各项数据与经验丰富的医师操作本***所采集的数据进行，按权重比对，给出较为综合的量化训练报告。
在具体实施时，在本发明提供的上述一种骨切削手术教学训练***中，还可以包括：与数据采集及成像***无线通讯连接的数据传输模块；在骨切削模拟手术过程中，数据传输模块，可以通过无线通讯连接来减少该***连接线的数量，使整体***更加简洁，可以有效避免模拟骨切削手术训练过程中因训练医师踩绊传输线路而影响模拟骨切削手术训练效果。
在具体实施时，在本发明提供的上述一种骨切削手术教学训练***中，模拟骨的构成不做限定。需要说明的是，模拟骨的摆放确定后，在手术过程中保持不动。
在具体实施时，在本发明提供的上述一种骨切削手术教学训练***中，数据采集及成像***的骨骼有限元仿真软件ABAQUS，亦可以为由3DMAX10建模并由VRML语言赋予其生理特性，在此不做限定。
在具体实施时，在本发明提供的上述上述一种骨切削手术教学训练***中，数据采集及成像***还可以在训练医师在切削过程中超过某一阈值时，发出报警提示声；并且，还可以在模拟切削程中手术器械的各项数据超出手术切割方案允许的误差时，发出报警提示声，这样，可以提高训练教学的效果，并给出更加完善的量化评估报告。
需要说明的是，在本发明提供的上述方案中，更换模拟骨的材料或拜访固定位置，更换各种传感器型号，更换智能骨钻型号、传感器安装位置、型号，更改操作平台样式、操作平台传感器安装位置、型号，都属于本发明范畴。
下面结合具体实施训练过程做进一步说明：
实施训练一：下颌角削骨手术中削骨训练。
采用最大的开源CT数据库DeepLesion，选取开源数据库中所提供的不同下颌骨骨骼CT数据导入至MIMICS***中，输出构建三维骨骼模型，通过其自带的FEA（有限元分析）接口将其导入ABAQUS有限元仿真软件中进行有限元分析。
采用一套 GPU 并行加速的统一粒子框架 CSDynamic，通过该框架对虚拟下颌骨骨骼模型进行优化重塑，赋予其应有的物理特性。
采用光线追踪算法得到下颌骨最终的颜色，包括骨骼所处环境，器材表面颜色等，在骨切削过程中采用物理近似模型Torrance-Sparrow 模型进行实时渲染。
通过训练医师操作器材，实时模拟模拟下颌角削骨手术过程中训练医师的各种操作细节，并于预输入的标准下颌角削骨手术削骨过程数据进行对比评估。
采用SQL SERVER 数据库所建立的标准化骨切削过程评估体系，训练医师的操作过程进行量化评估并给出量化评估报告。
采用数据采集的方法保存训练医师操作的完整过程，保留实物模拟下颌骨骨骼切削后的部分，并留存以供综合评估。
Claims (10)
1.一种搭建骨切削教学训练***的方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：
A1、搭建手术训练环境，包括操作平台、实物模拟骨、智能骨钻、数据采集及成像***；
A2、搭建手术模拟环境，包括待训练虚拟骨骼、待训练虚拟手术器械；
A3、将所述手术训练环境与手术模拟环境相关设备进行绑定，对训练手术环境中实物模拟骨与智能骨钻之间的空间位置变化及其运动状态，采集并上传相关数据（包括进给力、进给速度、刀具转速、切削温度）至虚拟手术环境中；
A4、根据A3所采集数据进行运算分析，由此分析训练手术环境中实物模拟骨与智能骨钻之间的空间位置变化，并在数据成像***中进行模拟，以此达到模拟仿真的目的；
A5、通过训练医师操作器材，实时模拟骨切削过程中训练医师的各种操作细节，并与预输入的标准骨切削过程数据进行对比评估；
A6、采用SQL SERVER 数据库建立标准化骨切削过程评估体系，通过对模拟骨的各项切削效果模拟进行权重赋值，并对训练医师操作结果进行量化评估，根据具体操作效果给出综合的评价报告；
A7、采用数据采集的方法保存训练医师操作的完整过程，保留实物模拟骨骼切削后部分，留存以供综合评估。
2.根据权利要求1所述的搭建方法，其特征在于，步骤A1所述的手术训练环境是实际手术训练环境，所述实际训练对象是实物模拟骨，所述实际训练工具是智能骨钻；所述的手术训练环境中，实物模拟骨由与骨骼莫氏硬度相当的材料制成；所述的手术训练环境中，智能骨钻由骨钻与相关传感器共同组成；所述的手术训练环境中，智能骨钻所安装的传感器为力传感器、测距传感器、转速传感器。
3.根据权利要求1所述的搭建方法，其特征在于，步骤A1所述的手术训练环境中，操作平台由骨骼固定装置与温度传感器、力传感器共同组成；数据采集及成像***由数据采集***与模拟成像***构成；数据采集***由安装在操作平台及智能骨钻上的各个传感器共同组成；模拟成像***由成熟的医学成像软件MIMICS***与有限元仿真模拟软件ABAQUS***所构成的联合仿真***构成。
4.根据权利要求1所述的搭建方法，其特征在于，步骤A2所述的手术模拟环境中，所述待训练虚拟骨骼、待训练虚拟手术器械由联合仿真***生成。
5.根据权利要求4所述的搭建方法，其特征在于，虚拟骨骼的模型由开源CT数据库DeepLesion所提供的骨骼CT数据导入MIMICS***获得，并通过其自带的FEA（有限元分析）接口将其导入ABAQUS有限元仿真软件中进行有限元分析，并根据骨骼特征、特性进行分类标注等二次预处理，虚拟手术器械则由ABAQUS***进行仿真绘制；预处理后的骨骼将由GPU并行加速的统一粒子框架CSDynamic进行虚拟骨骼及虚拟手术器械进行物理特性的赋予。
6.根据权利要求1所述的搭建方法，其特征在于，步骤A3所述的手术训练环境与手术模拟环境相关设备进行绑定采取物理绑定的方法，将传感器采集的数据通过总线接口直接由数据采集及成像***的相应总线直接读取传感器的信号。
7.根据权利要求1所述的搭建方法，其特征在于，步骤A4所述的仿真模拟采用光线追踪算法，通过计算射入相机的光线经过折射、反射等真实光学传播过程中的衰减和叠加得到包括骨骼所处环境、虚拟手术器械、骨骼本身等的颜色；所述骨切削过程中采用物理近似模型Torrance-Sparrow模型进行实时渲染。
8.根据权利要求1所述的搭建方法，其特征在于，步骤A5所述的预输入的标准骨切削过程数据由经验丰富的医生操作该教学训练***采集得到。
9.根据权利要求1所述的搭建方法，其特征在于，步骤A6所述的SQL SERVER 数据库建立标准化骨切削过程评估体系由经验丰富的医生操作该教学训练***，经过多次采集并对数据库进行不断更新得到，通过对各个操作过程产生的数据点进行权值的赋予，得到一个完整的评估体系。
10.根据权利要求1所述的搭建方法，其特征在于，步骤A7所述的训练医师操作过程的保存由SQL SERVER数据库为基础进行保存。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20220111 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |