交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)和教學方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公布了一種交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)和教學方法，包括整體外殼、模擬刮宮勺、二維運動定位系統(tǒng)、萬向部件、數(shù)據(jù)信息處理器和顯示器；所有部件均置于整體外殼中；模擬刮宮勺插在萬向部件中；萬向部件帶有傳感和觸覺反饋，夾持在整體外殼的前部中央；數(shù)據(jù)信息處理器固定在二維運動定位系統(tǒng)上，用于構(gòu)建虛擬環(huán)境和用戶交互；模擬刮宮勺具有三個旋轉(zhuǎn)自由度和一個位移自由度，用于對分段診刮術(shù)操作進行模擬。本發(fā)明專利技術(shù)技術(shù)方案實現(xiàn)向教與學雙方提供仿仿真手術(shù)操作模擬裝置和教學方法，具有刮勺實時壓力計算功能，能夠靈敏地捕獲操作力度，提供及時的觸覺反饋，實現(xiàn)視覺學習，提高學習的效率。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及醫(yī)學教學領(lǐng)域，尤其涉及一種交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)和教學方法。
技術(shù)介紹
分段診斷性分段診刮術(shù)(簡稱分段診刮術(shù))是所有臨床醫(yī)學學生必須掌握的臨床技能之一，具有很強的臨床實用性。傳統(tǒng)分段診刮術(shù)的教學工作依靠橡皮模具來完成。指導(dǎo)教師只能通過學生操作步驟、外露的部分刮宮器械對學生的操作進行猜測，進而進行考核和指導(dǎo)，不僅增加了教學難度，降低了教學效率，也使得學生無法得知自己操作是否正確、力度是否適當。因此，現(xiàn)有的教學設(shè)備和教學方法使得學生進入臨床實踐后遇到兩方面的問題，一方面不能準確地實施分段診刮，混淆宮頸或?qū)m腔的標本，給臨床診斷帶來困難；另一方面是力度不當，輕者會導(dǎo)致病人的強烈不適，重者造成子宮內(nèi)膜損傷、子宮穿孔等醫(yī)療事故，給病人身心帶來創(chuàng)傷，無法實現(xiàn)臨床教學的預(yù)期效果。
技術(shù)實現(xiàn)思路
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利技術(shù)提供一種交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)和教學方法，向教與學雙方(包括醫(yī)學生和臨床醫(yī)生)提供仿真的手術(shù)操作模擬裝置和教學方法，具有刮勺實時壓力計算功能，能夠靈敏地捕獲學習者操作力度，給學習者提供及時的觸覺反饋，實現(xiàn)視覺學習，提高學習的效率。本專利技術(shù)提供的技術(shù)方案是：一種交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)，包括：整體外殼、模擬刮宮勺、二維運動定位系統(tǒng)、萬向部件、數(shù)據(jù)信息處理器和顯示器；所述模擬刮宮勺、二維運動定位系統(tǒng)、萬向部件、數(shù)據(jù)信息處理器和顯示器均置于整體外殼中；所述模擬刮宮勺插在所述萬向部件中；所述萬向部件帶有傳感和觸覺反饋，夾持在整體外殼的前部中央；所述數(shù)據(jù)信息處理器固定在二維運動定位系統(tǒng)上，用于構(gòu)建虛擬環(huán)境和用戶交互；所述模擬刮宮勺具有三個旋轉(zhuǎn)自由度和一個位移自由度，用于對分段診刮術(shù)操作進行模擬。作為優(yōu)選，所述顯示器固定在數(shù)據(jù)信息處理器上部；所述的模擬刮宮勺的主體部分是由表面粗糙的中空直桿制成，外直徑可為1～5厘米，使用不銹鋼材質(zhì)；優(yōu)選地，外直徑和材質(zhì)與真實手術(shù)使用的刮宮勺一致；作為優(yōu)選，所述的萬向部件由一個帶有凹槽的萬向球、4-8個均勻分布在萬向球內(nèi)的震蕩電機、一對萬向球托盤以及相應(yīng)的一對固定柱組成，其中固定柱固定在底座上，每只固定柱端部固定有相應(yīng)的萬向球托盤，萬向球托盤為碗狀；萬向球托盤罩扣在萬向球兩端，保證萬向球僅能在萬向球托盤中進行任意角度的旋轉(zhuǎn)；萬向球托盤可從上下包裹固定住萬向球；震蕩電機圍繞模擬刮宮勺，并均勻鑲嵌在萬向球中，可為4-8個；非接觸光學傳感器鑲嵌在萬向球的凹槽中；萬向部件固定于整體外殼；模擬刮宮勺穿插放置在萬向球中心；模擬刮宮勺包括中空直桿和端部的發(fā)光管；端部的發(fā)光管可采用有色LED發(fā)光管或紅外發(fā)光管。電氣連接通過模擬刮宮勺內(nèi)的中空部分完成。作為優(yōu)選，所述的二維運動定位系統(tǒng)由放置在模擬刮宮勺尖端前方的攝像機和幕布構(gòu)成，攝像機和幕布的間距范圍為10-50CM；作為優(yōu)選，所述的數(shù)據(jù)信息處理器包括位置計算模塊，物理仿真模塊和三維渲染模塊；位置計算模塊接收二維運動定位系統(tǒng)和萬向部件發(fā)來的信號，整合為模擬刮宮勺位置數(shù)據(jù)，傳送給物理仿真模塊和三維渲染模塊；物理仿真模塊接收模擬刮宮勺位置數(shù)據(jù)，根據(jù)采集好的刮宮手術(shù)實際力量，通過物理引擎仿真得到觸覺數(shù)據(jù)，傳給萬向裝置；三維渲染模塊接收模擬刮宮勺位置數(shù)據(jù)，根據(jù)采集好的子宮形狀數(shù)據(jù)，實時渲染虛擬場景得到虛擬圖像數(shù)據(jù)，并將結(jié)果交由顯示器交互顯示。作為優(yōu)選，所述的顯示器接收數(shù)據(jù)信息處理器發(fā)送的虛擬圖像數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)子宮和刮勺的動態(tài)真實感刮宮手術(shù)虛擬場景。作為優(yōu)選，所述的整體外殼模擬女性外陰部以及部分軀干，可由硅膠等仿人皮材料制成，外形為女性下半身等比例模型。本專利技術(shù)還提供一種使用上述交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)的教學操作方法，包括如下步驟：1)采集刮宮手術(shù)實際力量數(shù)據(jù)和子宮形狀數(shù)據(jù)，作為參照數(shù)據(jù)；2)將模擬刮宮勺插在萬向部件中；模擬刮宮勺具有三個旋轉(zhuǎn)自由度和一個位移自由度，用于抽插；萬向部件帶有傳感和觸覺反饋，用于操作模擬刮宮勺；3)數(shù)據(jù)信息處理器接收二維運動定位系統(tǒng)和萬向部件發(fā)來的信號，獲取模擬刮宮勺在整體外殼內(nèi)部的實時位置信息；4)物理仿真模塊接收模擬刮宮勺的位置數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的刮宮手術(shù)實際力量數(shù)據(jù)，通過常用物理引擎計算得到對應(yīng)的觸覺數(shù)據(jù)；將觸覺數(shù)據(jù)傳給萬向部件；常用物理引擎處理包括unity3D、虛幻3等。5)三維渲染模塊接收模擬刮宮勺的位置數(shù)據(jù)，根據(jù)采集的子宮形狀數(shù)據(jù)，通過三維引擎實時渲染虛擬場景得到虛擬圖像數(shù)據(jù)，由顯示器交互顯示。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的有益效果是：本專利技術(shù)提供一種交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)和教學方法，向教與學雙方(包括醫(yī)學生和臨床醫(yī)生)提供仿真的手術(shù)操作模擬裝置和教學方法。本專利技術(shù)具有以下優(yōu)點：(一)本專利技術(shù)具有實時位置顯示功能，能清晰的顯示模擬刮宮勺宮頸和宮腔的的位置，向?qū)W習者(學生)提供的完整宮腔內(nèi)部操作過程，實現(xiàn)視覺學習，提高學習的效率。(二)本專利技術(shù)具有刮勺實時壓力計算功能，能夠靈敏地捕獲學習者操作力度，識別過輕或過重的操作，以免過輕無法刮除病灶，過重增加內(nèi)膜損傷，減少模擬器具和人體操作的差異，提高學習效果。(三)本專利技術(shù)具有可為指導(dǎo)者(老師)提供學習者完整的、準確的宮腔內(nèi)部操作過程，可使指導(dǎo)者準確地判斷操作的正確性，提高考核的準確度。同時能使指導(dǎo)者對學習者提供詳細、正確的指導(dǎo)。(四)本專利技術(shù)具有實時觸覺反饋機能，能夠給學習者提供及時的觸覺反饋，加助空間感的培養(yǎng)，且這一觸覺反饋由計算機模擬產(chǎn)生，故可根據(jù)病灶、部位的變化更換對應(yīng)的反饋，能夠用于多種病灶模型的分段診刮術(shù)學習。附圖說明圖1為本專利技術(shù)提供的交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖；圖2為本專利技術(shù)提供的交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)中的二維運動定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；圖3為本專利技術(shù)提供的交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)中的萬向部件結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖4為本專利技術(shù)實施例中的交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)中的萬向部件結(jié)構(gòu)的正視圖；圖5為本專利技術(shù)實施例中萬向部件中的萬向球的形狀示意圖；圖1～圖5中，1—模擬刮宮勺；2—二維運動定位系統(tǒng)；3—萬向部件；4—數(shù)據(jù)信息處理器；5—顯示器；6—系統(tǒng)的整體外殼；21—攝像機；22—幕布；31—萬向球；321—萬向球內(nèi)表面空腔；32—均勻分布在萬向球內(nèi)表面空腔中的震蕩電機；33—萬向球托盤；34—與萬向球托盤相應(yīng)的一對固定柱；35—非接觸光學傳感器；351—具有內(nèi)表面固定傳感器用的凹槽；11—中央孔洞。圖6為本專利技術(shù)實施例中的數(shù)據(jù)信息處理器模塊的結(jié)構(gòu)框圖；其中，41—位置計算模塊；42—物理仿真模塊；43—三維渲染模塊。具體實施方式下面結(jié)合附圖，通過實施例進一步描述本專利技術(shù)，但不以任何方式限制本專利技術(shù)的范圍。本專利技術(shù)提供一種交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)，向教學雙方(醫(yī)學生和臨床醫(yī)生)提供仿真的手術(shù)操作模擬裝置和教學方法。本專利技術(shù)的交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)包括模擬刮宮勺，插在萬向部件中；能精確測量的二維運動定位系統(tǒng)(作為優(yōu)選，所述的二維運動定位系統(tǒng)由放置在模擬刮宮勺尖端前方的攝像機和幕布構(gòu)成)，包裹在整體外殼內(nèi)；帶有傳感和觸覺反饋的萬向部件，夾持在整體外殼前部中央；用于構(gòu)建虛擬環(huán)境和用戶交互的數(shù)據(jù)信息處理器，固定在整體外殼側(cè)邊；用于顯示虛擬子宮的顯示器，固定在處理器上部；整體外殼。在萬向部件的限制下，模擬刮宮勺具有全部的三個旋轉(zhuǎn)自由度和一個位移自由本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)，包括：整體外殼、模擬刮宮勺、二維運動定位系統(tǒng)、萬向部件、數(shù)據(jù)信息處理器和顯示器；所述模擬刮宮勺、二維運動定位系統(tǒng)、萬向部件、數(shù)據(jù)信息處理器和顯示器均置于整體外殼中；所述模擬刮宮勺插在所述萬向部件中；所述萬向部件帶有傳感和觸覺反饋，夾持在整體外殼的前部中央；所述數(shù)據(jù)信息處理器固定在二維運動定位系統(tǒng)上，用于構(gòu)建虛擬環(huán)境和實現(xiàn)用戶交互操作；所述模擬刮宮勺具有旋轉(zhuǎn)自由度和位移自由度，用于模擬分段診刮術(shù)操作。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)，包括：整體外殼、模擬刮宮勺、二維運動定位系統(tǒng)、萬向部件、數(shù)據(jù)信息處理器和顯示器；所述模擬刮宮勺、二維運動定位系統(tǒng)、萬向部件、數(shù)據(jù)信息處理器和顯示器均置于整體外殼中；所述模擬刮宮勺插在所述萬向部件中；所述萬向部件帶有傳感和觸覺反饋，夾持在整體外殼的前部中央；所述數(shù)據(jù)信息處理器固定在二維運動定位系統(tǒng)上，用于構(gòu)建虛擬環(huán)境和實現(xiàn)用戶交互操作；所述模擬刮宮勺具有旋轉(zhuǎn)自由度和位移自由度，用于模擬分段診刮術(shù)操作。2.如權(quán)利要求1所述交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)，其特征是，所述模擬刮宮勺包括中空直桿和端部的發(fā)光管；所述中空直桿的外直徑和材質(zhì)模擬真實手術(shù)使用的刮宮勺；所述端部的發(fā)光管采用有色LED發(fā)光管或紅外發(fā)光管；電氣連接通過模擬刮宮勺內(nèi)的中空部分完成。3.如權(quán)利要求1所述交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)，其特征是，所述萬向部件由一個帶有內(nèi)表面凹槽和內(nèi)表面空腔的萬向球、鑲嵌于凹槽中的非接觸光學傳感器、多個均勻分布在萬向球內(nèi)表面空腔中的震蕩電機、一對萬向球托盤、與萬向球托盤相對應(yīng)的一對固定柱組成；所述固定柱固定在底座上，每只固定柱端部固定有相應(yīng)的萬向球托盤；萬向球托盤罩扣在萬向球兩端，使得萬向球僅能在萬向球托盤中進行任意角度的旋轉(zhuǎn)；所述非接觸光學傳感器用于檢測獲得模擬刮宮勺位移和旋轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，并上傳給數(shù)據(jù)信息處理器。4.如權(quán)利要求3所述交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)，其特征是，所述模擬刮宮勺穿插放置在所述萬向球中心。5.如權(quán)利要求3所述交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)，其特征是，所述均勻分布在萬向球內(nèi)表面空腔中的震蕩電機為4～8個；所述萬向球托盤為碗狀。6.如權(quán)利要求1所述交互式虛擬分段診刮術(shù)教學系統(tǒng)，其特征是，所述二維運動定位...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鹿群，王建六，張詩杰，鄭亦嘉，王凱樂，張凱，甄家毅，張玨，方競，
申請(專利權(quán))人：北京大學人民醫(yī)院，北京大學，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11