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基于實時位姿捕捉的手術(shù)仿真系統(tǒng)和方法及圖形渲染模塊的制作方法

文檔序號:2570277閱讀:265來源:國知局
專利名稱:基于實時位姿捕捉的手術(shù)仿真系統(tǒng)和方法及圖形渲染模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)。特別是涉及一種用于醫(yī)學(xué)教學(xué)和實踐培訓(xùn)練
習(xí)的基于實時位姿捕捉的手術(shù)仿真系統(tǒng)和方法及圖形渲染模塊。
背景技術(shù)
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步,特別是計算機技術(shù)的發(fā)展和廣發(fā)應(yīng)用,為醫(yī)學(xué)技能訓(xùn)練領(lǐng) 域帶來了新的契機。傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)技能培訓(xùn)中,醫(yī)生要經(jīng)過長時間的系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練才能 熟練掌握,通常情況下是在尸體和活體動物上進行。這種傳統(tǒng)的方法存在很多弊端也不符 合國際人道主義的慣例。 一方面,在尸體上進行訓(xùn)練時由于尸體經(jīng)過防腐處理,尸體組織器 官都有組織結(jié)構(gòu)和位置上的變化,醫(yī)生也無法獲得病人語言或是肢體反應(yīng);在活體上進行 時,由于活體組織結(jié)構(gòu)與人體的差別較大,醫(yī)生也無法得到好的訓(xùn)練;另一方面,傳統(tǒng)培訓(xùn) 中的尸體或活體大都只能用一次,無法重復(fù)使用,訓(xùn)練成本很高。 目前醫(yī)學(xué)培訓(xùn)領(lǐng)域應(yīng)用較多的是美國3DImmersion公司的VIV以及Sensible公 司的PHANTOM,這些公司的力反饋系統(tǒng)價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易維修,而且在操作上與實際 手術(shù)過程有較大區(qū)別,因而難以達到訓(xùn)練效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是,提供一種通過位姿捕捉系統(tǒng)將實體模型和虛擬環(huán) 境聯(lián)系起來,實時采集手術(shù)器械在空間運動的位姿信息,并及時反饋給虛擬環(huán)境,具有精度 高、反應(yīng)快的基于實時位姿捕捉的手術(shù)仿真系統(tǒng)和方法及圖形渲染模塊。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種基于實時位姿捕捉的手術(shù)仿真系統(tǒng)和方法及 圖形渲染模塊,基于實時位姿捕捉技術(shù)的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng),包括有實體模型,手術(shù)器械, 位姿捕捉系統(tǒng),計算機以及顯示器,其中,所述的手術(shù)器械分別連接實體模型和位姿捕捉系 統(tǒng),位姿捕捉系統(tǒng)的輸出連接計算機,計算機連接顯示器。
所述的手術(shù)器械包括針形的手術(shù)器械用針、插管。 所述的實體模型包括有骨骼模型、肌肉組織模型、神經(jīng)模型和人體模型。
—種用于基于實時位姿捕捉技術(shù)的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)的方法,包括如下階段
1)讀入手術(shù)器械碰撞模型新的位姿信息并存儲; 2)與前一次讀入的手術(shù)器械碰撞模型的位姿進行比較,判斷是否有變化,有變化 進入下一階段,否則返回第1階段; 3)判斷手術(shù)器械是否與實體模型接觸,有接觸記錄與實體模型的碰撞點和時間,
否則返回第1階段; 4)重置手術(shù)器械碰撞模型。 第3階段所述的判斷手術(shù)器械是否與實體模型接觸,有接觸記錄與實體模型的碰 撞點和時間,否則返回第1階段包括如下步驟 1)判斷手術(shù)器械是否與人體模型接觸,有接觸進入第2步驟,否則返回第1階段;2)記錄與人體模型的碰撞點和時間,然后分別進入第3、5步驟; 3)判斷是否與肌肉模型接觸,有接觸進入第4步驟,否則返回第1階段; 4)記錄與肌肉模型的碰撞點和時間,然后進入第7步驟; 5)判斷是否與神經(jīng)模型接觸,有接觸進入第6步驟,同時播放音頻,否則返回第1 階段; 6)記錄與神經(jīng)模型的碰撞點和時間,然后進入第7步驟; 7)判斷是否與骨骼模型接觸,有接觸進入第8步驟,否則返回第1階段; 8)記錄與骨骼模型的碰撞點和時間,然后進入第4階段。 —種采用上述方法的數(shù)據(jù)制成的圖形渲染模塊,包括有依次進行的渲染過程、應(yīng) 用過程和場景圖顯示,其中,所述的渲染過程有手術(shù)器械設(shè)定部分和實體模型設(shè)定部分;所 述的應(yīng)用過程有手術(shù)器械的選擇及人體實體的確定。 所述的實體模型設(shè)定部分包括有依次進行的設(shè)定人體外形可渲染對象和設(shè)定人 體外形子實體、依次進行的設(shè)定肌肉可渲染對象和設(shè)定肌肉子實體、依次進行的設(shè)定神經(jīng) 可渲染對象和設(shè)定神經(jīng)子實體、依次進行的設(shè)定骨骼可渲染對象和設(shè)定骨骼子實體以及對 人體外形及人體外形子實體的可見性的設(shè)定;所述的手術(shù)器械設(shè)定部分包括有依次進行的 設(shè)定手術(shù)器械可渲染對象和設(shè)定手術(shù)器械子實體。 所述的手術(shù)器械的選擇設(shè)定包括有,依次進行的選擇手術(shù)器械實體,以及手術(shù)器 械場景節(jié)點的確定。 所述的手術(shù)器械場景節(jié)點的確定是設(shè)定手術(shù)器械移動的具體位置,是根據(jù)計算機 中記錄的手術(shù)器械與實體模型的碰撞點和時間進行設(shè)定。 所述的人體實體的確定,包括有依次進行的對人體實體靜止對象的確定、以及場 景節(jié)點的確定。 本發(fā)明的基于實時位姿捕捉的手術(shù)仿真系統(tǒng)和方法及圖形渲染模塊,通過位姿捕 捉系統(tǒng)將實體模型和虛擬環(huán)境聯(lián)系起來,實時采集手術(shù)器械在空間運動的位姿信息,并及 時反饋給虛擬環(huán)境,具有精度高、反應(yīng)快的特點。將三維模型和材質(zhì)導(dǎo)入圖形渲染模塊,建 立了手術(shù)的虛擬環(huán)境,具有友好的人機接口,互動性強。這種基于實時位姿捕捉技術(shù)的虛 實手術(shù)仿真系統(tǒng)為操作者真實地再現(xiàn)了手術(shù)現(xiàn)場,操作者在這樣的虛擬環(huán)境中進行手術(shù)訓(xùn) 練,能獲得很好的觸覺、視覺和聽覺上的訓(xùn)練。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)構(gòu)成框圖; 圖2是本發(fā)明的物理碰撞檢測系統(tǒng)流程圖; 圖3是圖形渲染系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的基于實時位姿捕捉的手術(shù)仿真系統(tǒng)和方法及 圖形渲染模塊做出詳細(xì)說明。 如圖1所示,本發(fā)明的基于實時位姿捕捉技術(shù)的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng),包括有實體 模型1,手術(shù)器械2,位姿捕捉系統(tǒng)3,計算機4以及顯示器5,其中,所述的手術(shù)器械2分別
5對應(yīng)實體模型1和位姿捕捉系統(tǒng)3,位姿捕捉系統(tǒng)3的輸出連接計算機4,計算機4連接顯 示器5。 所述的手術(shù)器械2包括針形的手術(shù)器械用針、插管。 所述的實體模型1包括有骨骼模型、肌肉組織模型、神經(jīng)模型和人體模型。實體 骨骼模型通過CT掃描得到真人的骨骼三維模型,再通過快速成型激光三維打印技術(shù)得到, 使得骨骼的實體模型精度高。實體肌肉模型和實體皮膚由特種硅膠高分子材料制作,其結(jié) 構(gòu)性能和人體肌肉類似;實體人體模型符合真人比例。實體人體模型上留有放置骨骼模型、 肌肉模型和皮膚的空間位置。分別將骨骼模型、肌肉模型和皮膚模型固定在人體模型相應(yīng) 的位置上,模型固定在工作臺上,操作過程中模型的位置不能有變動。 所述的位姿捕捉系統(tǒng)3采用Ascension Technology Corporation公司生產(chǎn)的3D Guidance trakSTAR 。包括磁場發(fā)生器6、位姿傳感器7、由信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和位 姿轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成的位姿捕捉器8。位姿捕捉系統(tǒng)的磁場發(fā)生器有三個相互垂直的線圈,接通 交流電后在實體模型所在的空間產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場,傳感器上的磁感應(yīng)元件根據(jù)磁場強度和 空間位置不同發(fā)出不同的信號,信號通過調(diào)理電路進入數(shù)據(jù)采集卡,從而將信號轉(zhuǎn)化為空 間位置和姿態(tài)信息。位姿轉(zhuǎn)換模塊將數(shù)據(jù)采集卡輸出的實體空間的位置和姿態(tài)信息通過空 間變換原理變換為虛擬空間中的位置和姿態(tài)信息,使手術(shù)器械和手術(shù)器械模型分別保持與 實體模型和虛擬環(huán)境中三維模型一致的空間運動關(guān)系。 如圖2所示,本發(fā)明的用于基于實時位姿捕捉技術(shù)的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)的方法
首先在人體實體模型預(yù)設(shè)三個點,并記錄三維模型上相應(yīng)三點在虛擬環(huán)境空間中 的位姿信息,將傳感器依次放在人體實體模型上預(yù)設(shè)的三個點上,這樣系統(tǒng)檢測的這三個 點在實體空間的位姿信息,通過空間位姿變換原理得到一個位姿變換矩陣。然后進行如下 所包括階段 1)讀入手術(shù)器械碰撞模型新的位姿信息并存儲; 2)與前一次讀入的手術(shù)器械碰撞模型的位姿進行比較,判斷是否有變化,有變化 進入下一階段,否則返回第1階段; 3)判斷手術(shù)器械是否與實體模型接觸,有接觸記錄并顯示與實體模型的碰撞點和 時間,否則返回第1階段;具體包括如下步驟 (1)判斷手術(shù)器械是否與人體模型接觸,有接觸進入第2步驟,否則返回第1階 段; (2)記錄與人體模型的碰撞點和時間,然后分別進入第3、5步驟; (3)判斷是否與肌肉模型接觸,有接觸進入第4步驟,否則返回第1階段; (4)記錄與肌肉模型的碰撞點和時間,然后進入第7步驟; (5)判斷是否與神經(jīng)模型接觸,有接觸進入第6步驟,同時通過音頻進行播放,否 則返回第1階段; (6)記錄與神經(jīng)模型的碰撞點和時間,然后進入第7步驟; (7)判斷是否與骨骼模型接觸,有接觸進入第8步驟,否則返回第1階段; (8)記錄與骨骼模型的碰撞點和時間,然后進入第4階段。
(4)重置手術(shù)器械碰撞模型。 如圖3所示,本發(fā)明的圖形渲染模塊,是將三維模型和材質(zhì)導(dǎo)入計算機虛擬系統(tǒng),并設(shè)定個模型之間的相對位置關(guān)系、分別將材質(zhì)附著在模型上、控制材質(zhì)的透明性、控制視 窗口的位置。包括有依次進行的渲染過程、應(yīng)用過程和場景圖顯示,其中,所述的渲染過程 有手術(shù)器械設(shè)定部分和實體模型設(shè)定部分;所述的應(yīng)用過程有手術(shù)器械的選擇及人體實體 的確定。 所述的實體模型設(shè)定部分包括有依次進行的設(shè)定人體外形可渲染對象和設(shè)定人 體外形子實體、依次進行的設(shè)定肌肉可渲染對象和設(shè)定肌肉子實體、依次進行的設(shè)定神經(jīng) 可渲染對象和設(shè)定神經(jīng)子實體、依次進行的設(shè)定骨骼可渲染對象和設(shè)定骨骼子實體以及對 人體外形及人體外形子實體的可見性的設(shè)定;所述的手術(shù)器械設(shè)定部分包括有依次進行的 設(shè)定手術(shù)器械可渲染對象和設(shè)定手術(shù)器械子實體。 所述的手術(shù)器械的選擇包括有,依次進行的選擇手術(shù)器械實體,以及手術(shù)器械場 景節(jié)點的確定。所述的手術(shù)器械場景節(jié)點的確定是設(shè)定手術(shù)器械移動的具體位置,是根據(jù) 計算機中記錄的手術(shù)器械與實體模型的碰撞點和時間進行設(shè)定。 所述的人體實體的確定,包括有依次進行的對人體實體靜止對象的確定、以及場 景節(jié)點的確定。 本發(fā)明的基于實時位姿捕捉的手術(shù)仿真系統(tǒng)和方法及圖形渲染模塊,操作者在進 行手術(shù)訓(xùn)練時,操作者手持末端帶有位姿傳感器的針形器械在實體模型上進行操作,獲得 來自實體模型與針形手術(shù)器械相互作用的手感;位姿捕捉模塊將針形手術(shù)器械的空間位 置和姿態(tài)傳給虛擬環(huán)境,再經(jīng)過位置變換模塊得出三維針模型的在虛擬環(huán)境中的位置和姿 態(tài);物理碰撞檢測系統(tǒng)檢測和記錄操作過程中三維針模型與其它各模型的空間位置關(guān)系, 當(dāng)針模型進入或接觸到非神經(jīng)模型的其他模型時,記錄其空間位置、時間以及接觸次數(shù)等 相關(guān)信息,當(dāng)接觸到神經(jīng)模型時,根據(jù)接觸到的次數(shù)和位置,系統(tǒng)給出相應(yīng)的提示信息,如 系統(tǒng)通過擴音設(shè)備發(fā)出聲響,從而能使操作者獲得聽覺上得訓(xùn)練。
權(quán)利要求
一種基于實時位姿捕捉技術(shù)的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng),其特征在于,包括有實體模型(1),手術(shù)器械(2),位姿捕捉系統(tǒng)(3),計算機(4)以及顯示器(5),其中,所述的手術(shù)器械(2)分別連接實體模型(1)和位姿捕捉系統(tǒng)(3),位姿捕捉系統(tǒng)(3)的輸出連接計算機(4),計算機(4)連接顯示器(5)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于實時位姿捕捉技術(shù)的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng),其特征在于, 所述的手術(shù)器械(2)包括針形的手術(shù)器械用針、插管。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于實時位姿捕捉技術(shù)的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng),其特征在于, 所述的實體模型(1)包括有骨骼模型、肌肉組織模型、神經(jīng)模型和人體模型。
4. 一種用于權(quán)利要求1所述的基于實時位姿捕捉技術(shù)的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)的方法,其 特征在于,包括如下階段1) 讀入手術(shù)器械碰撞模型新的位姿信息并存儲;2) 與前一次讀入的手術(shù)器械碰撞模型的位姿進行比較,判斷是否有變化,有變化進入 下一階段,否則返回第l階段;3) 判斷手術(shù)器械是否與實體模型接觸,有接觸記錄與實體模型的碰撞點和時間,否則 返回第1階段;4) 重置手術(shù)器械碰撞模型。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于基于實時位姿捕捉技術(shù)的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)的方法,其 特征在于,第3階段所述的判斷手術(shù)器械是否與實體模型接觸,有接觸記錄與實體模型的 碰撞點和時間,否則返回第1階段包括如下步驟1) 判斷手術(shù)器械是否與人體模型接觸,有接觸進入第2步驟,否則返回第1階段;2) 記錄與人體模型的碰撞點和時間,然后分別進入第3、5步驟;3) 判斷是否與肌肉模型接觸,有接觸進入第4步驟,否則返回第1階段;4) 記錄與肌肉模型的碰撞點和時間,然后進入第7步驟;5) 判斷是否與神經(jīng)模型接觸,有接觸進入第6步驟,同時播放音頻,否則返回第1階段;6) 記錄與神經(jīng)模型的碰撞點和時間,然后進入第7步驟;7) 判斷是否與骨骼模型接觸,有接觸進入第8步驟,否則返回第1階段;8) 記錄與骨骼模型的碰撞點和時間,然后進入第4階段。
6. —種采用權(quán)利要求4所述方法的數(shù)據(jù)制成的圖形渲染模塊,其特征在于,包括有依 次進行的渲染過程、應(yīng)用過程和場景圖顯示,其中,所述的渲染過程有手術(shù)器械設(shè)定部分和 實體模型設(shè)定部分;所述的應(yīng)用過程有手術(shù)器械的選擇及人體實體的確定。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖形渲染模塊,其特征在于,所述的實體模型設(shè)定部分包括 有依次進行的設(shè)定人體外形可渲染對象和設(shè)定人體外形子實體、依次進行的設(shè)定肌肉可 渲染對象和設(shè)定肌肉子實體、依次進行的設(shè)定神經(jīng)可渲染對象和設(shè)定神經(jīng)子實體、依次進 行的設(shè)定骨骼可渲染對象和設(shè)定骨骼子實體以及對人體外形及人體外形子實體的可見性 的設(shè)定;所述的手術(shù)器械設(shè)定部分包括有依次進行的設(shè)定手術(shù)器械可渲染對象和設(shè)定手術(shù) 器械子實體。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖形渲染模塊,其特征在于,所述的手術(shù)器械的選擇設(shè)定包 括有,依次進行的選擇手術(shù)器械實體,以及手術(shù)器械場景節(jié)點的確定。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖形渲染模塊,其特征在于,所述的手術(shù)器械場景節(jié)點的確 定是設(shè)定手術(shù)器械移動的具體位置,是根據(jù)計算機中記錄的手術(shù)器械與實體模型的碰撞點 和時間進行設(shè)定。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖形渲染模塊,其特征在于,所述的人體實體的確定,包括 有依次進行的對人體實體靜止對象的確定、以及場景節(jié)點的確定。
全文摘要
一種基于實時位姿捕捉的手術(shù)仿真系統(tǒng)和方法及圖形渲染模塊,系統(tǒng)手術(shù)器械分別連接實體模型和位姿捕捉系統(tǒng),位姿捕捉系統(tǒng)的輸出連接計算機,計算機連接顯示器。方法讀入手術(shù)器械碰撞模型新的位姿信息并存儲;與前一次讀入的手術(shù)器械碰撞模型的位姿進行比較,判斷是否有變化,有進入下一階段,無回第1階段;判斷手術(shù)器械是否與實體模型接觸,有記錄與實體模型的碰撞點和時間,無回第1階段;重置手術(shù)器械碰撞模型。模塊有依次進行的渲染過程、應(yīng)用過程和場景圖顯示,渲染過程有手術(shù)器械設(shè)定部分和實體模型設(shè)定部分;應(yīng)用過程有手術(shù)器械的選擇及人體實體的確定。本發(fā)明實時采集手術(shù)器械在空間運動的位姿信息,并及時反饋給虛擬環(huán)境,具有精度高、反應(yīng)快的特點。
文檔編號G09B23/00GK101739879SQ200910245000
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者嚴(yán)小天, 冀強, 劉霄飛, 唐國潮 申請人:天津市天堰醫(yī)教科技開發(fā)有限公司
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