本實(shí)用新型涉及醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種交互式虛擬分段診刮術(shù)教學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

分段診斷性分段診刮術(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)分段診刮術(shù))是所有臨床醫(yī)學(xué)學(xué)生必須掌握的臨床技能之一，具有很強(qiáng)的臨床實(shí)用性。傳統(tǒng)分段診刮術(shù)的教學(xué)工作依靠橡皮模具來(lái)完成。指導(dǎo)教師只能通過(guò)學(xué)生操作步驟、外露的部分刮宮器械對(duì)學(xué)生的操作進(jìn)行猜測(cè)，進(jìn)而進(jìn)行考核和指導(dǎo)，不僅增加了教學(xué)難度，降低了教學(xué)效率，也使得學(xué)生無(wú)法得知自己操作是否正確、力度是否適當(dāng)。因此，現(xiàn)有的教學(xué)設(shè)備和教學(xué)方法使得學(xué)生進(jìn)入臨床實(shí)踐后遇到兩方面的問(wèn)題，一方面不能準(zhǔn)確地實(shí)施分段診刮，混淆宮頸或?qū)m腔的標(biāo)本，給臨床診斷帶來(lái)困難；另一方面是力度不當(dāng)，輕者會(huì)導(dǎo)致病人的強(qiáng)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(lái)創(chuàng)傷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)臨床教學(xué)的預(yù)期效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供一種交互式虛擬分段診刮術(shù)教學(xué)系統(tǒng)，向教與學(xué)雙方(包括醫(yī)學(xué)生和臨床醫(yī)生)提供仿真的手術(shù)操作模擬裝置，具有刮勺實(shí)時(shí)壓力計(jì)算功能，能夠靈敏地捕獲學(xué)習(xí)者操作力度，給學(xué)習(xí)者提供及時(shí)的觸覺(jué)反饋，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)的效率。

本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案是：

一種交互式虛擬分段診刮術(shù)教學(xué)系統(tǒng)，包括：整體外殼、模擬刮宮勺、二維運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)、萬(wàn)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(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)、萬(wàn)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(wàn)向部件中；所述萬(wàn)向部件帶有傳感和觸覺(jué)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(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)上，用于構(gòu)建虛擬環(huán)境和用戶(hù)交互；所述模擬刮宮勺具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)位移自由度，用于對(duì)分段診刮術(shù)操作進(jìn)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(shí)手術(shù)使用的刮宮勺一致；

作為優(yōu)選，所述的萬(wàn)向部件由一個(gè)帶有凹槽的萬(wàn)向球、4-8個(gè)均勻分布在萬(wàn)向球內(nèi)的震蕩電機(jī)、一對(duì)萬(wàn)向球托盤(pán)以及相應(yīng)的一對(duì)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(wàn)向球托盤(pán)，萬(wàn)向球托盤(pán)為碗狀；萬(wàn)向球托盤(pán)罩扣在萬(wàn)向球兩端，保證萬(wàn)向球僅能在萬(wàn)向球托盤(pán)中進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)；萬(wàn)向球托盤(pán)可從上下包裹固定住萬(wàn)向球；震蕩電機(jī)圍繞模擬刮宮勺，并均勻鑲嵌在萬(wàn)向球中，可為4-8個(gè)；非接觸光學(xué)傳感器鑲嵌在萬(wàn)向球的凹槽中；萬(wàn)向部件固定于整體外殼；

模擬刮宮勺穿插放置在萬(wàn)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(guò)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(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)由放置在模擬刮宮勺尖端前方的攝像機(jī)和幕布構(gòu)成，攝像機(jī)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(jì)算模塊，物理仿真模塊和三維渲染模塊；位置計(jì)算模塊接收二維運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)和萬(wàn)向部件發(fā)來(lái)的信號(hào)，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(shí)際力量，通過(guò)物理引擎仿真得到觸覺(jué)數(shù)據(jù)，傳給萬(wàn)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(shí)時(shí)渲染虛擬場(chǎng)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(dòng)態(tài)真實(shí)感刮宮手術(shù)虛擬場(chǎng)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。

使用上述交互式虛擬分段診刮術(shù)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)包括如下步驟：

1)采集刮宮手術(shù)實(shí)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(wàn)向部件中；模擬刮宮勺具有三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)位移自由度，用于抽插；萬(wàn)向部件帶有傳感和觸覺(jué)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(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)和萬(wàn)向部件發(fā)來(lái)的信號(hào)，獲取模擬刮宮勺在整體外殼內(nèi)部的實(shí)時(shí)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(shí)際力量數(shù)據(jù)，通過(guò)常用物理引擎計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的觸覺(jué)數(shù)據(jù)；將觸覺(jué)數(shù)據(jù)傳給萬(wàn)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(guò)三維引擎實(shí)時(shí)渲染虛擬場(chǎng)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，本實(shí)用新型的有益效果是：

本實(shí)用新型提供一種交互式虛擬分段診刮術(shù)教學(xué)系統(tǒng)，向教與學(xué)雙方(包括醫(yī)學(xué)生和臨床醫(yī)生)提供仿真的手術(shù)操作模擬裝置。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(一)本實(shí)用新型具有實(shí)時(shí)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(xí)者(學(xué)生)提供的完整宮腔內(nèi)部操作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)的效率。

(二)本實(shí)用新型具有刮勺實(shí)時(shí)壓力計(jì)算功能，能夠靈敏地捕獲學(xué)習(xí)者操作力度，識(shí)別過(guò)輕或過(guò)重的操作，以免過(guò)輕無(wú)法刮除病灶，過(guò)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(xué)習(xí)效果。

(三)本實(shí)用新型具有可為指導(dǎo)者(老師)提供學(xué)習(xí)者完整的、準(zhǔn)確的宮腔內(nèi)部操作過(guò)程，可使指導(dǎo)者準(zhǔn)確地判斷操作的正確性，提高考核的準(zhǔn)確度。同時(shí)能使指導(dǎo)者對(duì)學(xué)習(xí)者提供詳細(xì)、正確的指導(dǎo)。

(四)本實(shí)用新型具有實(shí)時(shí)觸覺(jué)反饋機(jī)能，能夠給學(xué)習(xí)者提供及時(shí)的觸覺(jué)反饋，加助空間感的培養(yǎng)，且這一觸覺(jué)反饋由計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生，故可根據(jù)病灶、部位的變化更換對(duì)應(yīng)的反饋，能夠用于多種病灶模型的分段診刮術(shù)學(xué)習(xí)。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型提供的交互式虛擬分段診刮術(shù)教學(xué)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本實(shí)用新型提供的交互式虛擬分段診刮術(shù)教學(xué)系統(tǒng)中的二維運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本實(shí)用新型提供的交互式虛擬分段診刮術(shù)教學(xué)系統(tǒng)中的萬(wàn)向部件結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；

圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例中的交互式虛擬分段診刮術(shù)教學(xué)系統(tǒng)中的萬(wàn)向部件結(jié)構(gòu)的正視圖；

圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例中萬(wàn)向部件中的萬(wàn)向球的形狀示意圖；

圖1～圖5中，1-模擬刮宮勺；2-二維運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)；3-萬(wàn)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(jī)；22-幕布；31-萬(wàn)向球；321-萬(wàn)向球內(nèi)表面空腔；32-均勻分布在萬(wàn)向球內(nèi)表面空腔中的震蕩電機(jī)；33—萬(wàn)向球托盤(pán)；34—與萬(wàn)向球托盤(pán)相應(yīng)的一對(duì)固定柱；35—非接觸光學(xué)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為本實(shí)用新型實(shí)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(jì)算模塊；42—物理仿真模塊；43—三維渲染模塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步描述本實(shí)用新型，但不以任何方式限制本實(shí)用新型的范圍。

本實(shí)用新型提供一種交互式虛擬分段診刮術(shù)教學(xué)系統(tǒng)，向教學(xué)雙方(醫(yī)學(xué)生和臨床醫(yī)生)提供仿真的手術(shù)操作模擬裝置和教學(xué)方法。

本實(shí)用新型的交互式虛擬分段診刮術(shù)教學(xué)系統(tǒng)包括模擬刮宮勺，插在萬(wàn)向部件中；能精確測(cè)量的二維運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)(作為優(yōu)選，所述的二維運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)由放置在模擬刮宮勺尖端前方的攝像機(jī)和幕布構(gòu)成)，包裹在整體外殼內(nèi)；帶有傳感和觸覺(jué)反饋的萬(wàn)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(hù)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(wàn)向部件的限制下，模擬刮宮勺具有全部的三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和一個(gè)位移自由度(用于抽插)，這與實(shí)際分段診刮術(shù)中的操作自由度對(duì)應(yīng)的，能夠真實(shí)模擬分段診刮術(shù)的操作。

參照?qǐng)D1，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的交互式虛擬分段診刮術(shù)教學(xué)系統(tǒng)包括模擬刮宮勺1，二維運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)2，萬(wàn)向部件3，數(shù)據(jù)信息處理器4，顯示器5和整體外殼6。

其中，整體外殼6位于整個(gè)裝置的最外圍，向整個(gè)裝置提供支撐，并給模擬刮宮勺1提供遮光的操作環(huán)境。模擬刮宮勺1穿插放置在萬(wàn)象部件3的萬(wàn)向球31的中央孔洞11中。二維運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)2固定在整體外殼6底部，采集模擬刮宮勺1的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，上傳至數(shù)據(jù)信息處理器4的同時(shí)，提高操作者的真實(shí)感。萬(wàn)向部件3固定于整體外殼6內(nèi)，給模擬刮宮勺1提供支撐，允許模擬刮宮勺1進(jìn)行三個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)和一個(gè)自由度(用于抽插)的位移，這是與實(shí)際分段診刮術(shù)的操作相對(duì)應(yīng)的，同時(shí)對(duì)模擬刮宮勺1的位移和自旋情況進(jìn)行采集并上傳至數(shù)據(jù)信息處理器4，并接受數(shù)據(jù)信息處理器4的觸覺(jué)數(shù)據(jù)向模擬刮宮勺1進(jìn)行反饋。數(shù)據(jù)信息處理器4固定在整體外殼6的內(nèi)側(cè)邊，接收來(lái)自萬(wàn)向部件3和三維定位裝置7的模擬刮宮勺1運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，對(duì)操作者的操作進(jìn)行仿真，傳送虛擬圖像數(shù)據(jù)至顯示器5，傳送觸覺(jué)數(shù)據(jù)至萬(wàn)向部件3。顯示器5固定在數(shù)據(jù)信息處理器4上，接受數(shù)據(jù)信息處理器4的虛擬圖像數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

如圖2所示，所述二維運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)2，包括攝像機(jī)21和幕布22。幕布22位于整個(gè)裝置的中央，固定在整體外殼6內(nèi)；攝像機(jī)21位于幕布22后一側(cè)，固定在整體外殼6底部。攝像機(jī)21和幕布22的間距范圍為10-50CM。幕布22可接收模擬刮宮勺1端頭發(fā)射的光束，并顯現(xiàn)出來(lái)。攝像機(jī)21實(shí)時(shí)拍攝幕布22呈現(xiàn)的畫(huà)面，傳至數(shù)據(jù)信息處理器4。

如圖3所示，所述的萬(wàn)向部件3包括一個(gè)萬(wàn)向球31、4-8個(gè)均勻分布在萬(wàn)向球內(nèi)表面空腔321中的震蕩電機(jī)32、一對(duì)萬(wàn)向球托盤(pán)33、與萬(wàn)向球托盤(pán)相應(yīng)的一對(duì)固定柱34、以及非接觸光學(xué)傳感器35。其中固定柱34的上端、下端分別固定在整體外殼6上，一上一下呈對(duì)稱(chēng)位置。每只固定柱34向萬(wàn)向球31的端部分別固定有相應(yīng)的萬(wàn)向球托盤(pán)32，萬(wàn)向球托盤(pán)32為碗狀；萬(wàn)向球托盤(pán)32設(shè)有罩，分別扣在萬(wàn)向球31的兩端，保證萬(wàn)向球31像人的關(guān)節(jié)一樣，僅能在萬(wàn)向球托盤(pán)32中進(jìn)行任意角度的旋轉(zhuǎn)；非接觸光學(xué)傳感器35鑲嵌在萬(wàn)向球的內(nèi)表面凹槽351中，實(shí)時(shí)檢測(cè)模擬刮宮勺1的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，上傳至數(shù)據(jù)信息處理器4。

如圖4～圖5所示，所述的震蕩電機(jī)32鑲嵌在萬(wàn)向球的內(nèi)表面空腔321內(nèi)，均勻圍繞在模擬刮宮勺1周?chē)?，可?-8個(gè)，根據(jù)數(shù)據(jù)信息處理器4的指令，震動(dòng)相應(yīng)的震蕩電機(jī)32，模擬出刮宮勺接觸子宮內(nèi)壁組織的觸感。

如圖5所示，所述的萬(wàn)向球31為一具有內(nèi)表面凹槽351、中央孔洞11和若干內(nèi)表面空腔321的球體。

如圖6所示，所述的數(shù)據(jù)信息處理器4包括位置計(jì)算模塊41，物理仿真模塊42和三維渲染模塊43；位置計(jì)算模塊41接收二維運(yùn)動(dòng)定位系統(tǒng)2和萬(wàn)向部件3發(fā)來(lái)的信號(hào)，通過(guò)游戲引擎轉(zhuǎn)化為模擬刮宮勺1的位置數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以反映模擬刮宮勺1在整體外殼6內(nèi)部的實(shí)時(shí)位置信息。位置計(jì)算模塊41將模擬刮宮勺1的位置數(shù)據(jù)傳送給物理仿真模塊42和三維渲染模塊43。物理仿真模塊42接收模擬刮宮勺1的位置數(shù)據(jù)，根據(jù)采集好的刮宮手術(shù)實(shí)際力量，通過(guò)常用物理引擎處理，如unity3D、虛幻3等，得到對(duì)應(yīng)的觸覺(jué)數(shù)據(jù)。觸覺(jué)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)著實(shí)際刮宮手術(shù)時(shí)，所應(yīng)得到的反饋力量。物理仿真模塊42將觸覺(jué)數(shù)據(jù)傳給萬(wàn)向部件3。三維渲染模塊43接收模擬刮宮勺1位置數(shù)據(jù)，根據(jù)采集好的子宮形狀數(shù)據(jù)，通過(guò)常用物理引擎，如Bullet、Havok等，實(shí)時(shí)渲染虛擬場(chǎng)景得到虛擬圖像數(shù)據(jù)。虛擬圖像數(shù)據(jù)是三維的，實(shí)時(shí)的，即可為學(xué)生提供學(xué)習(xí)輔助，培養(yǎng)空間感和對(duì)子宮結(jié)構(gòu)的掌握，又方便指導(dǎo)教師進(jìn)行考核和指導(dǎo)。三維渲染模塊43將虛擬圖像數(shù)據(jù)交由顯示器5交互顯示。

需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本實(shí)用新型，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本實(shí)用新型及所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本實(shí)用新型不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi)容，本實(shí)用新型要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。