[发明专利]一种沉浸式自适应位姿虚拟手术训练平台

说明书

一种沉浸式自适应位姿虚拟手术训练平台，由上端显示组件、中端控制台组件、下端支撑组件和侧面支撑组件等四部分组成。上端显示组件根据人机工程学设计，符合人体面部结构，可通过旋钮调节观测中心空间大小以适应不同大小的人体脑部，让脑部与平台更加贴合，增强沉浸感。可自适应调节位姿，以自己适合的姿势进行手术操作训练，提高舒适度，减轻疲劳感。通过上端显示组件的外部3D显示器观看整个手术训练过程，可对训练效果评测。本平台可用于模拟脑外科、肝脏、肾脏、乳腺等各类手术操作过程，让见习手术医生或医学院学生反复、无损、方便地进行手术训练，解决了传统外科医生训练中存在的训练周期长、效率低、费用高、训练对象匮乏等问题。

技术领域

本发明涉及一种基于计算机的虚拟现实技术的虚拟手术训练设备

背景技术

基于计算机仿真的虚拟现实技术，利用计算机重构生成某种或某类现实中的二维或三维虚拟场景，用户可通过相应设备与虚拟场景中的各类物体进行交互，从而体验到与现实中一样逼真的听觉、视觉、嗅觉、力觉等多感知。

传统的外科医生的培养方式采用“传、帮、带”的学徒模式。这种方法存在周期长、成本高、效率低、尸体源匮乏等问题。即使现在医学试验中经常使用的动物作为外科医生手术训练对象，也存在道德层面的问题，而且动物的组织结构必然与人类有所差别。

为了解决外科医生的培训中存在的这些难题，研究开发以虚拟现实技术为基础的虚拟外科手术仿真训练系统成为目前医学领域的一个热点和前沿课题。由加拿大国家研究理事会(National Research Council,NRC)牵头，联合了多个研究小组和知名医院，花费了910万美元，50多名包括专家学者、临床医生、工程师，跨度三年共同研制的脑外科手术模拟器原型机NeuroTouch是目前世界上最先进的脑外科虚拟手术训练系统。首先，利用患者的功能性核磁共振(functional magnetic resonance imaging，fMRI)影像数据重构一个高分辨率的3D人体脑组织模型，这个模型是基于有限元网格的。然后，读取该有限元模型并渲染现实，接着，用户通过操作一个类似手术刀的力反馈设备(采用的是Sensable公司的Phantom OMNI)与虚拟模型进行交互，这个装置有6个自由度，能够实时反馈设备与脑组织不同部位或者不同操作后产生的力。同时，用户可以通过屏幕观察力反馈设备与虚拟模型的交互结果，包括组织形变、灰质出血和搏动。NeuroTouch的特点在于其模拟仿真软组织的形变、切割、流血等生理现象很逼真，但是该系统的3D显示效果主要通过3个固定的显示屏，无法根据不同人体的需求进行调整，沉浸感和舒适度都无法得到满足。

在现有技术中，专利ZL200910242042.5公开了一种虚拟现实牙科手术触感训练支撑平台，但是这种装置是针对人体牙齿组织设计，牙齿属于刚性物质，对其建模和交互过程中的数据处理都比人体脑组织(软组织)更为简单。而且该系统智能模拟牙科手术的仿真，可扩展性不强。专利ZL201010173563.2公开了一种支持力触觉反馈的虚拟柔性体变形手术仿真系统，该发明利用等节距圆锥形螺旋弹簧力触觉建模方法，将每层等节距圆锥形螺旋弹簧变形量之和的叠加来模拟柔性体表面的变形。这种方法不是真正意义上的物理模型，没有反映软组织生理特征的材料参数，而且不是三维立体显示，仿真效果不够逼真。ZL201110150678.4公开了一种基于力反馈的机器人微创手术仿真系统，该发明主要针对微创手术设计，其中的图形处理模块可将影像数据转换为三维体数据并通过三维显示设备展现出来。但是，该系统没有设计专门的虚拟手术操作平台，操作者容易受到周围环境声音、光线、人及其他事物的干扰，沉浸感不强。因此，为了解决传统外科医生手术训练问题，打破国外在该领域的垄断地位，发明一种具有逼真的虚拟手术仿真沉浸感且能够提高手术训练者舒适性的自适应位姿的虚拟外科手术训练平台是一个重要、迫切的问题。

发明内容

针对传统外科手术医生训练中存在的训练周期长、成本高、效率低、训练对象匮乏和违背伦理道德等问题，本发明公开了一种沉浸式自适应位姿虚拟手术训练平台，该平台为见习外科手术医生或医学院学生等训练者提供一个进行虚拟现实手术操作的训练平台。