支持力觉交互的腰椎穿刺虚拟仿真与训练系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设计了一种腰椎穿刺的虚拟仿真与训练系统，属于虚拟现实、系统仿真、医 学信息技术的交叉应用领域。
【背景技术】
[0002] 腰椎穿刺既可用于诊断又可用于治疗。腰椎穿刺技术也是医学教学的难点之一， 要求医生具有很高的手术技巧、准确高效的手眼协作能力、以及大量严格的术前技能培训 和实践，训练周期极长，要求实践能力极强。图1所示为腰椎穿刺的解剖示意图，穿刺针依 次穿过皮肤、脂肪、棘上韧带、椎间韧带、黄韧带、硬脑脊膜的时候，因为每层组织弹性各不 相同，因此产生对穿刺针不同的阻力，对操作者来说，会感受到阻力的增减变化。阻力的增 减变化对操作者来说是一个提示，有经验的操作者可据此判断针尖所处位置。
[0003] 综合目前的传统训练方式共有四种：捐献的尸体、人体模型、动物及病人；然而这 些方式都存在各自明显的不足，比如捐献的尸体有限，而且软组织物理特性改变，训练的机 会少；标本数量有限，成本昂贵；动物解剖环境和人体不同，训练环境不理想；在病人身上 练习手术风险大，不易被病人所接受且具有不可重复性。在传统手术中，医生是根据从标本 或书上获得的人体解剖知识，并结合临床经验制定手术方案的，并在自己大脑中进行术前 的手术预演。这种方式的不足在于手术方案的质量取决于医生个体临床经验与技能；不利 于事先发现整个手术过程中的问题；不利于医生之间相互学习、探讨。
[0004] 随着计算机技术和微创手术的发展，数字化虚拟手术在医学领域中扮演着越来越 重要的角色。利用虚拟现实技术，通过构建人体器官的数字模型，模拟人体组织的物理和生 理特性，仿真手术场景和手术器械，医生可以沉浸于虚拟手术环境中，交互地体验和学习各 种手术。
[0005] 目前在医学临床教学中尚无针对脊椎穿刺术训练的工具，操作者很难学习、掌握 腰椎穿刺技术的要领。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是，针对【背景技术】存在的不足，提出一种支持力觉交 互的腰椎穿刺虚拟仿真与训练系统，达到力觉感觉平稳、模拟效果逼真、能够满足腰椎穿刺 手术仿真对实时性要求和精细作业的要求。
[0007] 本发明为解决上述技术问题而采用以下技术方案：
[0008] -种支持力觉交互的腰椎穿刺虚拟仿真与训练系统，包括计算装置和力觉交互设 备，在计算装置上连接有显示设备；其中，所述计算装置与力觉交互设备连接，用于将力觉 交互设备检测到的使用者做出的动作信号传输至计算装置，计算装置将接收的信号带入预 先设置的模型进行实时仿真计算，得到穿刺针作用力传输至力觉交互设备由使用者感知， 同时根据仿真计算结果在显示设备上生成实时虚拟穿刺过程界面，从而实现腰椎穿刺虚拟 仿真与训练。
[0009] 进一步的，本发明的一种支持力觉交互的腰椎穿刺虚拟仿真与训练系统，所述计 算装置包括离线模型构建单元、实时仿真计算单元；其中，
[0010] 离线模型构建单元用于构建包含脊柱骨骼和软组织的人体躯干几何模型和有限 元模型，并对有限元模型进行约减；
[0011] 实时仿真计算单元包括：
[0012] 躯干有限元模型变形计算模块，用于建立约减后的有限元模型的运动方程，在约 减空间中对约减后的运动方程进行仿真，重建形变向量实现躯干有限元模型的变形，以及 对有限元模型进行局部更新和采样；
[0013] 力觉交互模块，用于根据使用者的动作信号计算出力觉信息并将其发送至力觉交 互设备，同时读取力觉交互设备的操作手柄的位姿来更新虚拟穿刺针的位姿状态；
[0014] 虚拟穿刺教学与训练模块，用于在虚拟穿刺过程中，为用户提供教学与训练。
[0015] 进一步的，本发明的一种支持力觉交互的腰椎穿刺虚拟仿真与训练系统，力觉交 互模块包含碰撞检测子模块、碰撞响应子模块，力觉渲染子模块，其中：
[0016] 碰撞检测子模块，用于根据虚拟穿刺针和躯干各部分的相对位置进行碰撞检测；
[0017] 碰撞响应子模块，用于根据碰撞检测的结果计算出虚拟穿刺针受到的阻力，把虚 拟穿刺针施加给躯体软组织上的力作为输入，传送给躯干有限元模型变形计算模块，从而 计算出躯干有限元模型变形后的形状和位移；
[0018] 力觉渲染子模块，用于接受碰撞检测子模块与碰撞响应子模块发送来的力觉信息 并将其发送至力觉交互设备，从而让操作者感受到虚拟穿刺产生的力反馈；同时，读取力 觉交互设备的操作手柄的位姿，并根据此位姿信息更新虚拟环境中的虚拟穿刺针的位姿状 O
[0019] 进一步的，本发明的一种支持力觉交互的腰椎穿刺虚拟仿真与训练系统，所述虚 拟穿刺教学与训练模块是在虚拟穿刺过程中：提供穿刺点位置的高亮显示，穿刺方向的三 维线段显示，穿刺针刺入的动画播放，同时以截面视图展示穿刺针在人体内部的位置，穿刺 针运动轨迹显示，进行视觉引导。
[0020] 进一步的，本发明的一种支持力觉交互的腰椎穿刺虚拟仿真与训练系统，所述进 行视觉引导具体步骤为：预先存储专家的最佳行针轨迹、穿刺点和穿刺方向作为样板；训 练过程中，将学员的实际的穿刺点、穿刺方向与样板比较，当学员的穿刺点和样板穿刺点偏 差超过设定的阈值，或者穿刺方向与样板穿刺方向的夹角大于设定阈值时，系统进行提醒 并高亮显示最佳穿刺点和穿刺方向，同时以截面视图展示穿刺针在人体内部的位置。
[0021 ] 进一步的，本发明的一种支持力觉交互的腰椎穿刺虚拟仿真与训练系统，人体躯 干有限元模型，具体包括：L1-L5腰椎、骨盆、骶骨、骶裂孔、骶角、棘上韧带、黄韧带、硬脊膜 与珠网膜，以及由上述组织形成的珠网膜下腔、硬膜外腔、骶后上棘、胸椎棘突、腰椎棘突， 还包括皮肤和肌肉的模型；其中，骨骼模型皆为刚体，不参与变形仿真，有限元单元类型为 线性六面体单元。
[0022] 进一步的，本发明的一种支持力觉交互的腰椎穿刺虚拟仿真与训练系统，躯干有 限元模型变形计算模块：
[0023]A、采用隐式NewMark积分方法在约减空间中对约减后的有限元模型的动力学方 程进行仿真，得到约减空间中的形变q;
[0024]B、重建形变向量u:根据约减空间中的形变q重建原始空间的形变向量uGR3n更 新有限元模型，实现躯干有限元模型的变形；
[0025]C、有限元模型的局部更新和采样：包括为满足图形绘制的要求更新模型外表面的 顶点的变形和位置，以及对可能发生碰撞、干涉的局部区域进行更新，为碰撞检测模块提供 更新的几何信息。
[0026] 进一步的，本发明的一种支持力觉交互的腰椎穿刺虚拟仿真与训练系统，碰撞检 测的方法是：
[0027] 首先，筛选出有可能和穿刺针接触的网格顶点，形成兴趣点集W，具体为：以穿刺 针为中心轴形成包围圆柱体，以穿刺针的针尖为圆心生成包围球，两者合并成为包围盒，筛 选出在当前包围盒中的网格顶点，构建兴趣点集W;
[0028] 然后，检查刺针针尖是否与骨骼模型碰撞，用点对多边形网格的碰撞检测方法进 行检测，如果检测结果为是，则进一步计算刺针针尖侵入骨骼深度，用弹簧阻尼算法计算出 反馈的力，传送给力交互设备；否则说明刺针没有接触骨骼，进一步要求得刺针对软组织的 侵入和干涉情况，对有限元模型的兴趣点集W内所有的软组织有限元模型的顶点进行局 部变形更新，将更新变形之后的软组织有限元网格，与代表穿刺针的线段进行干涉检查，找 出和穿刺针相交的网格，并找出这些网格所包含的顶点，构建相交顶点集?，找到包裹针管 的软组织，侵入深度li。
[0029] 本发明采用以上技术方案具有以下技术效果：
[0030] 本发明为虚拟穿刺训练提供了真实感强的触力觉反馈，对提高腰椎穿刺这样非常 需要手感的操作真实感来说，大有帮助。根据解剖学，穿刺针依次穿过皮肤、脂肪、棘上韧 带、椎间韧带、黄韧带、硬脑脊膜的时候，因为每层组织弹性各不相同，因此产生对穿刺针不 同的阻力，对操作者来说，会感受到阻力的增减变化。阻力的增减变化对操作者来说是一个 提示，有经验的操作者可据此判断针尖所处位置。本系统可仿真穿刺过程中阻力的变化，从 而为学员提供逼真的训练效果。
[0031] 另外，本发明可以提高教学效率，丰富教学手段，激发学习兴趣，培养新手处理各 种突发情况的应变能力，提高知识应用能力，同时还可以大大降低培训医务人员的成本和 周期；以及为医疗条件相对较落后的边远地区的医生和学生提供可重复性及可逆的培训和 学习，这对于提高医学教育水平具有重要的现实意义。
【附图说明】
[0032] 图1是腰椎穿刺解剖示意图；
[0033] 图2是系统总体架构图；
[0034] 图3是CT扫描部位示意图；
[0035] 图4是穿刺针受力分析示意图；
[0036] 图5是钳位力计算方法示意图；
[0037] 图6是切割力计算方法示意图；
[0038] 图7是软组织弹性力计算方法示意图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图通过具体实施例进一步详细介绍本发明的具体实施步骤。
[0040] 本发明利用虚拟现实技术，建立"腰椎穿刺虚拟训练系统"，目的是为医学生提供 真实感强、可靠性高的训练模式。如图1所示，穿刺过程中，穿刺针依次穿过皮肤、脂肪、棘 上韧带、椎间韧带、黄韧带、硬脑脊膜。因为每层组织弹性各不相同，当穿刺针针尖