一种基于VR技术的穿刺手术训练系统及训练方法

一种基于vr技术的穿刺手术训练系统及训练方法
技术领域
1.本发明涉及穿刺手术技术领域，具体涉及一种基于vr技术的穿刺手术训练系统及训练方法。


背景技术：

2.穿刺效果影响着护患关系，目前临床常用方法主要有上下持针法、前后持针法和三指持针法，现有的训练模型大多在模拟血管内充满红色液体，观察穿刺后有无回血来确定穿刺训练结果。
3.因此，现有的训练模型大多为实物模型，为了训练穿刺手术训练，需要长时间在训练模型上训练，而目前的训练模型并没有数据分析能力，因此只能凭长时间多次的实物训练获取穿刺经验，来逐渐验证最合适的穿刺角度，但是这就导致训练模型的更替非常频繁，提高了训练成本，且通过大量的穿刺训练，不断更换穿刺角度来增加穿刺经验，以经验得到穿刺角度和姿态，而非量化性的快速获取具体的穿刺角度。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于vr技术的穿刺手术训练系统及训练方法，以解决现有技术中通过大量的穿刺训练，不断更换穿刺角度来增加穿刺经验，以经验得到穿刺角度和姿态，而非量化性的快速获取具体的穿刺角度的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
6.一种基于vr技术的穿刺手术训练系统，包括：
7.3d建模模块，包括场景数据库、场景输出装置和vr穿戴终端，所述场景数据库包含虚拟的三维穿刺训练模型和穿刺所需要的虚拟医疗用具，所述场景输出装置包含三维穿刺训练模型和人体的手指部分，所述场景数据库与所述场景输出装置连接，所述场景输出装置与所述vr穿戴终端连接；
8.穿刺姿态采集模块，用于获取手持的穿刺针的穿刺夹角以及所述穿刺针的刺入长度；
9.虚拟现实交互模块，用于将所述穿刺姿态采集模块获取的穿刺夹角和刺入长度与所述场景输出装置交互，形成穿刺针与所述三维穿刺训练模型之间的穿刺夹角，以及穿刺针与三维穿刺训练模型之间的刺入长度；
10.训练操作仿真模块，用于采集每次训练操作时的三维穿刺训练模型的输出信号，并收集所述信息采集模块获取的刺入长度和穿刺夹角，统计所述三维穿刺训练模型的输出信号表示穿刺成功对应的穿刺夹角和刺入长度，以及所述三维穿刺训练模型表示穿刺不成功对应的穿刺夹角；
11.训练结果分析模块，用于分析处理所述三维穿刺训练模型的输出信号与所述穿刺夹角之间的对应关系，确定穿刺手术的穿刺夹角范围。
12.作为本发明的一种优选方案，所述vr穿戴终端内还设有语音提醒模块，将所述信
息采集模块采集到的穿刺针的刺入长度与标准长度进行对比，所述语音提醒模块在所述穿刺针的刺入长度小于标准长度时发出语音提示，以使得所述使用人员将所述穿刺针按照标准长度刺入血管内。
13.作为本发明的一种优选方案，所述三维穿刺训练模型包括底座以及设置在底座上的模拟硅胶皮，所述底座的上表面设有用于容纳模拟血管的上开槽，且所述模拟硅胶皮的下表面设有用于容纳所述模拟血管的下开槽，所述上开槽的内部安装有用于检测针头穿刺位置的检测轨道；
14.所述检测轨道包括半圆轨体，以及至少两个均匀分布在所述半圆轨体表面的线性开口，所述线性开口内安装有压力检测块，且两个所述压力检测块之间通过弧形弯板连接，所述弧形弯板的中心位置两侧均设有移动卡尺，所述移动卡尺带动所述压力检测块以所述半圆轨体的中心位置为原点进行往复移动，以检测血管不同位置的穿刺训练结果。
15.作为本发明的一种优选方案，所述上开槽的底部中心位置设有限位沉槽，所述移动卡尺设置在所述限位沉槽内并沿着所述限位沉槽移动。
16.作为本发明的一种优选方案，所述移动卡尺的上表面设有位移刻度，且所述位移刻度以远离与所述弧形弯板连接的一端为零点，所述模拟硅胶皮的上表面设有位置标号，且所述位置标号以所述模拟硅胶皮的中心位置为零点。
17.作为本发明的一种优选方案，所述压力检测块包括空腔板块、安装在所述空腔板块内部的压力传感器，以及用于封盖所述压力传感器的挤压板，所述压力传感器用于检测所述挤压板在静脉穿刺针的推动作用下的推力。
18.作为本发明的一种优选方案，所述训练操作仿真模块用于根据所述穿刺针的插入位置来仿真所述压力检测块的输出结果，所述穿刺针的端部在虚拟场景中与所述压力检测块接触时，所述压力检测块的输出信号表示穿刺失败，所述穿刺针的端部在虚拟场景中与所述压力检测块不接触，且所述穿刺针在虚拟场景中的穿刺长度达到标准长度时，所述压力检测块的输出信号表示穿刺成功。
19.为解决上述技术问题，本发明还进一步提供下述技术方案：一种基于vr技术的穿刺手术训练系统的手术训练方法，包括以下步骤：
20.步骤100、确定三维穿刺训练模型的穿刺训练位置，获取所述三维穿刺训练模型在当前状态下的压力检测信号；
21.步骤200、使用人员穿戴好vr穿戴终端，场景输出装置输出与三维穿刺训练模型相应的虚拟训练场景，使用人员与虚拟现实场景进行交互，获取使用人员的穿刺姿态变化与所述三维穿刺训练模型中的模拟血管之间的相对位置；
22.步骤300、基于相对位置确定穿刺针的端部与所述三维穿刺训练模型中的压力检测块是否有接触，当穿刺针的端部与压力检测块有接触时，则所述压力检测块的压力检测信号发生变化，表示穿刺训练结果不成功；
23.步骤400、基于相对位置确定穿刺针的端部在所述三维穿刺训练模型中的模拟血管内部的刺入长度，直至刺入长度与标准长度相同。
24.作为本发明的一种优选方案，将使用人员的穿刺姿态与三维穿刺训练模型进行虚拟交互训练，其中，使用人员捏住穿刺针的穿刺姿态与刺入所述模拟血管的角度和刺入长度有关，当刺入所述模拟血管的角度与该段模拟血管的中心轴线不平行且刺入长度达到标
准长度时，则穿刺针的端部与压力检测块有接触，所述压力检测块的压力检测信号发生变化，表示穿刺训练结果不成功；
25.当刺入所述模拟血管的角度与该段模拟血管的中心轴线不平行且刺入长度达到标准长度时，则穿刺针的端部与压力检测块无接触，所述压力检测块的压力检测信号无变化，表示穿刺训练结果成功；
26.当刺入所述模拟血管的角度与该段模拟血管的中心轴线平行时，则穿刺针的端部与压力检测块无接触，所述压力检测块的压力检测信号无变化，表示穿刺训练结果成功。
27.作为本发明的一种优选方案，根据多次的训练结果，统计不同长度的穿刺针穿刺训练成功时对应的穿刺角度范围。
28.本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
29.本发明以vr技术建立关于训练模型的虚拟场景，参测人员可以在虚拟环境中进行穿刺模拟训练，且根据穿刺模拟训练结果进行数据分析，以有限的训练次数来获取每种穿刺针的穿刺角度，将穿刺操作进行数据量化处理，在不浪费实物的训练模型的前提下，快速掌握最佳的穿刺手术的穿刺操作姿态。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
31.图1为本发明实施例提供的穿刺手术vr训练系统的结构框图；
32.图2为本发明实施例提供的训练模型的立体结构示意图；
33.图3为本发明实施例提供的训练模型的纵剖结构示意图；
34.图4为本发明实施例提供的压力检测块的结构示意图；
35.图5为本发明实施例提供的位移刻度的俯视结构示意图；
36.图6为本发明实施例提供的穿刺手术vr训练方法的流程示意图。
37.图中的标号分别表示如下：
38.1-底座；2-模拟硅胶皮；3-模拟血管；4-上开槽；5-下开槽；6-检测轨道；7-限位沉槽；8-位移刻度；9-位置标号；10-3d建模模块；20-穿刺姿态采集模块；30-虚拟现实交互模块；40-训练操作仿真模块；50-训练结果分析模块；
39.101-场景数据库；102-场景输出装置；103-vr穿戴终端；
40.61-半圆轨体；62-线性开口；63-压力检测块；64-弧形弯板；65-移动卡尺；
41.631-空腔板块；632-压力传感器；633-挤压板。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.如图1所示，本发明提供了一种基于vr技术的穿刺手术训练系统，现有的训练模型大多为实物模型，为了训练穿刺手术训练，需要长时间在训练模型上训练，而目前的训练模型并没有数据分析能力，因此只能凭长时间多次的实物训练获取穿刺经验，来逐渐验证最合适的穿刺角度，但是这就导致训练模型的更替非常频繁，提高了训练成本，且通过大量的穿刺训练，不断更换穿刺角度来增加穿刺经验，以经验得到穿刺角度和姿态，而非量化性的快速获取具体的穿刺角度。
44.因此本实施方式以vr技术，建立关于训练模型的虚拟场景，参测人员可以在虚拟环境中进行穿刺模拟训练，且根据穿刺模拟训练结果进行数据分析，以有限的训练次数来获取每种穿刺针的穿刺角度，将穿刺操作进行数据量化处理，在不浪费实物的训练模型的前提下，快速掌握最佳的穿刺手术的穿刺操作姿态。
45.具体包括：3d建模模块10、穿刺姿态采集模块20、虚拟现实交互模块30、训练操作仿真模块40和训练结果分析模块50。
46.其中，3d建模模块10包括场景数据库101、场景输出装置102和vr穿戴终端103，场景数据库101包含虚拟的三维穿刺训练模型和穿刺所需要的虚拟医疗用具，场景输出装置102包含三维穿刺训练模型和人体的手指部分，场景数据库101与场景输出装置102连接，场景输出装置102与vr穿戴终端103连接。
47.3d建模模块10将实物的训练模型进行3d虚拟化，获得用于进行穿刺手术的虚拟场景，其中虚拟场景中的穿刺针用具包含不同长度以及不同粗细，且虚拟场景中的人体为包含训练模型的人体模型，使用人员主要在训练模型进行穿刺手术的模拟训练，其他场景与真实的手术环境相同即可。
48.穿刺姿态采集模块20用于获取手持的穿刺针的穿刺夹角以及穿刺针的刺入长度。
49.虚拟现实交互模块30用于将穿刺姿态采集模块20获取的穿刺夹角和刺入长度与场景输出装置102交互，形成穿刺针与三维穿刺训练模型之间的穿刺夹角，以及穿刺针与三维穿刺训练模型之间的刺入长度。
50.训练操作仿真模块40用于采集每次训练操作时的三维穿刺训练模型的输出信号，并收集信息采集模块获取的刺入长度和穿刺夹角，统计三维穿刺训练模型的输出信号表示穿刺成功对应的穿刺夹角和刺入长度，以及三维穿刺训练模型表示穿刺不成功对应的穿刺夹角。
51.训练结果分析模块50用于分析处理三维穿刺训练模型的输出信号与穿刺夹角之间的对应关系，确定穿刺手术的穿刺夹角范围。
52.本实施方式利用虚拟现实交互模块30得到的穿刺手术的模拟场景具体为：使用人员手持穿刺针刺入三维穿刺训练模型的模拟血管内，根据当前穿刺姿态获取穿刺针在模拟血管内的穿刺角度和穿刺长度，从而训练使用人员进行穿刺手术的穿刺方向，一方面实现对三维穿刺训练模型的模拟化使用，降低对三维穿刺训练模型的实物的使用次数，降低训练成本，另一方面，通过多次的穿刺训练的分析，逐步校正使用人员在穿刺操作时的穿刺角度和穿刺长度，从而达到真实手术前的模拟演习操作。
53.vr穿戴终端103内还设有语音提醒模块104，将信息采集模块采集到的穿刺针的刺入长度与标准长度进行对比，语音提醒模块104在穿刺针的刺入长度小于标准长度时发出语音提示，以使得使用人员将穿刺针按照标准长度刺入血管内。
54.注射时的穿刺长度与注射成功与否也有很大的关系，当穿刺长度处于一定的范围内，才会避免穿刺针容易脱落的情况，而本实施方式不仅仅用于在虚拟场景内模拟穿刺针的刺入方向，同时还模拟穿刺针的刺入长度，当刺入长度达到标准长度且穿刺针未扎到模拟血管的侧壁上，则意味着该穿刺训练成功。
55.具体的三维穿刺训练模型其结构，如图2和图3所示，具体包括底座1以及设置在底座1上的模拟硅胶皮2，底座1的上表面设有用于容纳模拟血管3的上开槽4，且模拟硅胶皮2的下表面设有用于容纳模拟血管3的下开槽5，上开槽4的内部安装有用于检测针头穿刺位置的检测轨道6。
56.在本实施方式中，检测轨道6用于检测针头穿刺时的压力，如果检测轨道6发出信号，则意味着针头刺破血管扎在检测轨道6上，该次穿刺训练不成功，而检测轨道6没有发出信号，则意味着针头未刺破血管扎在检测轨道6上，该次穿刺训练成功。
57.检测轨道6包括半圆轨体61，以及至少两个均匀分布在半圆轨体61表面的线性开口62，线性开口62内安装有压力检测块63，且两个压力检测块63之间通过弧形弯板64连接，弧形弯板64的中心位置两侧均设有移动卡尺65，移动卡尺65带动压力检测块63以半圆轨体61的中心位置为原点进行往复移动，以检测血管不同位置的穿刺训练结果。
58.现有的训练模型大多在模拟血管内充满红色液体，观察穿刺后有无回血来确定穿刺训练结果，但是由于模拟血管无法就有真实血管的自我恢复能力，因此导致模拟血管只能使用有限次，因此导致训练模型的成本浪费比较多。
59.而本实施方式通过分布在模拟血管周侧的压力传感器来检测到针头是否刺破模拟血管，从而模拟血管可以重复多次使用，因此避免了模拟血管的频繁更换，节约训练成本。
60.如图4所示，压力检测块63的具体检测原理为：压力检测块63包括空腔板块631、安装在空腔板块631内部的压力传感器632，以及用于封盖压力传感器632的挤压板633，压力传感器632用于检测挤压板633在静脉穿刺针的推动作用下的推力。
61.作为本实施方式的优势，本实施方式中的压力检测块63可以沿着半圆轨体61移动，即沿着模拟血管3移动，因此可实现对模拟血管3的多处训练工作，避免在模拟血管3的同一处多次训练导致血管被刺破无法继续训练的问题。
62.弧形弯板64的外表面贴合上开槽4的内表面，且弧形弯板64在上开槽4的表面相对滑动，半圆轨体61的上端固定安装在上开槽4的开口处。上开槽4的底部中心位置设有限位沉槽7，移动卡尺65设置在限位沉槽7内并沿着限位沉槽7移动。
63.在进行穿刺训练工作时，移动卡尺65沿着限位沉槽7内移动，而操作者根据移动卡尺65的移动位置进行穿刺工作，从而穿刺位置与压力检测块63的位置正好适配，因此保证可以得到每个穿刺位置的检测结果。
64.具体的适配方式为：如图5所示，移动卡尺65的上表面设有位移刻度8，且位移刻度8以远离与弧形弯板64连接的一端为零点，模拟硅胶皮2的上表面设有位置标号9，且位置标号9以模拟硅胶皮2的中心位置为零点。
65.当移动卡尺65从限位沉槽7的一端移出时，根据位移刻度8确定移动位置，且根据移动卡尺65的移出端和此时的位移刻度8来确定对应的位置标号9，即压力检测块63刚好移动至适配的位置标号9处，因此在此位置进行穿刺训练时，压力检测块63可检测穿刺结果。
66.做为本实施方式的优选，移动卡尺65的外侧端设有捏柄，且捏柄的纵剖尺寸小于移动卡尺65的纵剖尺寸，捏柄用于拉动移动卡尺65在限位沉槽7内移动。
67.综上，本实施方式提供的训练模型检验穿刺训练结果的实现步骤为：
68.初始状态下，将移动卡尺65完全移动至限位沉槽7内，此时移动卡尺65的中心位置与模拟硅胶皮2的中心位置对齐，即压力检测块63处于模拟硅胶皮2的中心位置，此时对模拟血管3进行穿刺训练时，压力检测块63通过检测针头的推力来确定针头是否刺破模拟血管3，如果压力传感器632输出稳定信号，则认为此次的穿刺训练成功，如果压力传感器632输出不稳定信号，则认为此次的穿刺训练不成功。
69.手持捏柄拉动移动卡尺65朝着一个方向移动，则意味着压力检测块63偏离中心位置，此时根据拉动移动卡尺65的方位以及此时显示的位移刻度8来确定当前的穿刺训练位置，只需找到对应方位的位置标号9来确定穿刺训练位置，从而实现多位置的穿刺训练工作。
70.现有的训练模型可能在模拟血管的外侧布设大量的传感器，如本实施方式中的压力传感器，来确定穿刺训练的结果，而本实施方式仅利用较少的压力传感器，来实现对模拟血管的不同位置的穿刺模拟训练，因此本实施方式的集成度高，成本低，且降低后期维护频率。
71.因此本实施方式通过分布在模拟血管周侧的压力传感器来检测到针头是否刺破模拟血管，从而模拟血管可以重复多次使用，因此避免了模拟血管的频繁更换，节约训练成本，另外还可实现对模拟血管的多处训练工作，避免在模拟血管的同一处多次训练导致血管被刺破无法继续训练的问题。
72.将上述的三维穿刺训练模型应用到虚拟场景后，在虚拟场景中的实现步骤可以与实物操作步骤相同，即通过更换压力检测块63的位置，来实现对模拟血管的不同位置的穿刺训练操作，从而通过这种仿真训练，来提高使用人员对实物的训练模型的操作流畅性，在虚拟环境内更换血管的不同位置进行穿刺手术训练时，仅需要先模拟拉动压力传感器移位，并在模拟血管的对应位置进行穿刺训练，从而可以基于压力传感器的输出信号确定训练结果。
73.即训练操作仿真模块40用于根据穿刺针的插入位置来仿真压力检测块63的输出结果，穿刺针的端部在虚拟场景中与压力检测块63接触时，压力检测块63的输出信号表示穿刺失败，穿刺针的端部在虚拟场景中与压力检测块63不接触，且穿刺针在虚拟场景中的穿刺长度达到标准长度时，压力检测块63的输出信号表示穿刺成功。
74.另外如图6所示，本发明还提供了一种基于vr技术的穿刺手术训练系统的手术训练方法，包括以下步骤：
75.步骤100、确定三维穿刺训练模型的穿刺训练位置，获取三维穿刺训练模型在当前状态下的压力检测信号；
76.步骤200、使用人员穿戴好vr穿戴终端，场景输出装置输出与三维穿刺训练模型相应的虚拟训练场景，使用人员与虚拟现实场景进行交互，获取使用人员的穿刺姿态变化与三维穿刺训练模型中的模拟血管之间的相对位置；
77.步骤300、基于相对位置确定穿刺针的端部与三维穿刺训练模型中的压力检测块是否有接触，当穿刺针的端部与压力检测块有接触时，则压力检测块的压力检测信号发生
变化，表示穿刺训练结果不成功；
78.步骤400、基于相对位置确定穿刺针的端部在三维穿刺训练模型中的模拟血管内部的刺入长度，直至刺入长度与标准长度相同。
79.将使用人员的穿刺姿态与三维穿刺训练模型进行虚拟交互训练，其中，使用人员捏住穿刺针的穿刺姿态与刺入模拟血管的角度和刺入长度有关，当刺入模拟血管的角度与该段模拟血管的中心轴线不平行且刺入长度达到标准长度时，则穿刺针的端部与压力检测块有接触，压力检测块的压力检测信号发生变化，表示穿刺训练结果不成功。
80.当刺入模拟血管的角度与该段模拟血管的中心轴线不平行且刺入长度达到标准长度时，则穿刺针的端部与压力检测块无接触，压力检测块的压力检测信号无变化，表示穿刺训练结果成功。
81.当刺入模拟血管的角度与该段模拟血管的中心轴线平行时，则穿刺针的端部与压力检测块无接触，压力检测块的压力检测信号无变化，表示穿刺训练结果成功。
82.根据多次的训练结果，统计不同长度的穿刺针穿刺训练成功时对应的穿刺角度范围。
83.因此本实施方式通过vr技术的虚拟化训练，对虚拟环境中的手术操作进行数据收集和分析处理，得到适应于不同穿刺针的穿刺角度，使得穿刺手术训练的结果得以量化，而使用人员针对每种穿刺针在对应的穿刺角度范围内进行穿刺操作，则可以将穿刺针准确无误的插入血管内，更利于大规模大批量的人群训练使用。
84.以上实施例仅为本技术的示例性实施例，不用于限制本技术，本技术的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本技术的实质和保护范围内，对本技术做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本技术的保护范围内。