一种基于虚拟训练及考试评分的装置与方法

1.本发明涉及虚拟护理训练技术领域，尤其涉及一种基于虚拟训练及考试评分的装置与方法。


背景技术：

2.在医学领域的虚拟手术仿真是虚拟现实技术的一个重要发展方向。从二维的医学影像序列出发，在虚拟环境中重构出虚拟的三维人体器官与软组织模型，并且结合位置追踪、触觉反馈等交互技术与设备模拟出真实的医学手术环境，为手术医生提供一个高沉浸感交互式虚拟手术环境，让医生在使用手术系统时能够身临其境地模拟出临床手术的全过程。与传统的手术训练方法相比，虚拟手术系统可以为临床医师提供一种更加高效、精准的训练和分析方法，外科医生在进行手术之前，可以通过虚拟手术系统在计算机上进行重复模拟，让手术医生有充足的信息以及更多的时间对于手术进行有效的规划，并且对于手术过程中可能遇到的问题进行预先防范。同时，由于虚拟手术系统具有可重复性的优点，可以为手术医生提供一种有效的训练手段，缩短新手医生上手术台的训练周期。
3.公开号为cn111798727b的专利文献公开了一种虚拟侧脑室穿刺辅助培训方法、装置、设备和介质。该发明通过将二维ct与三维侧脑室进行对应的方式以训练学员空间化的能力，从而达到训练学员阅读ct的能力。阅片训练可以帮助学员更好地根据ct选择合适的穿刺点位以及穿刺深度。路径判断的训练是为了训练学员对自身穿刺方向的把握，由于颅脑为非规则球体，但是穿刺方向的要求是垂直颅脑，因此，如何把握垂直这个角度对于学员来说是十分关键的，除了在技术训练的过程中有意识地积累经验以外，也可以利用路径判断训练来进一步地提高手术路径规划能力。该专利虽然能够引导学员掌握如何找寻合适的穿刺点位和穿刺深度，但是其穿刺路径的规划是提前建立以供学员进行选取的，其仅仅适用于脑室穿刺。但是该发明无法帮助学员进行血管穿刺等细小组织的穿刺训练，尤其是医疗护理对于静脉注射和肌肉注射的需求相对较大，目前的训练方式无法有效地对训练者的针刺操作所存在问题进行纠正，并且现有的教学方式无法模拟多种复杂的护理环境，尤其是无法针对血管较细和血管不明显的人体组织进行针刺操作。
4.因此，本发明提供的是一种利用虚拟训练的方式帮助训练者在虚拟环境下完成各种不同护理操作的训练装置，该装置帮助使用者纠正在操作过程中存在的错误，使得训练者利用虚拟训练装置模拟出不同的针刺条件，从而训练者能够在不同的针刺条件下以标准且准确地针刺角度、力度和位移来完成穿刺训练，并且本装置还对虚拟训练装置的显示单元的虚拟环境重构机制进行改进，降低了训练者晕屏的可能性。
5.此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。


技术实现要素：

6.针对现有技术之不足，本发明的技术方案提供一种基于虚拟训练及考试评分的装置，包括：场景模块根据指令生成参数不同的人体组织的三维虚拟模型，并且所述场景模块在建立位于人体组织内的内基层模型的同时，其还能够在内基层表面上设置隐式网格；手持模拟模块，用于训练者在建立的虚拟场景下利用三维虚拟模型进行训练操作，并且所述手持模拟模块能够输出其工作位置的变动数据，从而通过交互模块来实现训练者的训练操作与所述场景模块的三维虚拟模型之间的交互和融合，进而所述隐式网格能够检测出所述手持模拟模块与内基层组织之间的碰撞。其优势在于，本发明通过在建立与真实人体组织的结构相一致的三维虚拟模型的过程中，在内基层表面设置用于检测手持模拟模块所对应的虚拟医疗用具与血管之间的碰撞的隐式网格，从而简化了现有虚拟训练技术中碰撞检测算法的时间和空间复杂度。并且将内基层、隐式网格所代表的面模型和虚拟医疗用具所代表的体模型进行结合，提高了例如针头、针管等医疗用具与皮肤、内基层组织之间碰撞检测算法的效率。
7.根据一种优选的实施方式，所述场景模块和所述交互模块均设置在穿戴模块上，训练者通过所述穿戴模块来进入所述虚拟场景，并且在虚拟场景下利用所述手持模拟模块进行针对三维虚拟模型的穿刺训练；在所述手持模拟模块与位于所述三维虚拟模型所代表的人体组织的内部的内基层模型发生碰撞时，所述手持模拟模块进入所述内基层模型中而被依附于内基层表面的隐式网络所捕获，从而训练者完成单次穿刺训练。其优势在于，通过对虚拟环境中手持模拟模块和血管之间的碰撞进行检测，从而有效地对训练者穿刺训练的正确性以及对与穿刺操作正确与否相关联的操作姿态进行分析，从而针对训练者出现不同穿刺错误时的操作问题进行纠正，帮助训练者更快且有效地在血管较细、内基层组织厚度较薄薄以及血管不明显等情况下进行血管穿刺操作。
8.根据一种优选的实施方式，所述手持模拟模块还能够采集训练者每一次进行训练操作时的穿刺长度和穿刺角度，并且利用所述穿戴模块的视觉单元采集的训练者手持所述手持模拟模块发生的位置变动来对采集的穿刺长度和穿刺角度进行修正，从而使所述手持模拟模块在虚拟场景下发生的位置变动能够与在现实场景下的位置变动相重合。其优势在于，通过将实际的手部操作与虚拟环境中的医疗用具的工作位置的改变进行一致化，通过影像采集的方式对存在的位置偏差进行修正，使得训练者能够获得更佳的虚拟训练体验。
9.根据一种优选的实施方式，所述场景模块还能够将所述手持模拟模块在虚拟环境中转化为虚拟医疗用具，从而训练者能够根据所述手持模拟模块发出的物理反馈信号改变其手持虚拟医疗用具的姿势、角度和运动状态；在所述手持模拟模块所代表的虚拟医疗用具刺入血管时，所述场景模块通过颜色渲染的方式来表征训练者的训练操作的正确性，并且在所述手持模拟模块所代表的虚拟医疗用具的刺入运动未被所述隐式网络所检测到或所述手持模拟模块所代表的虚拟医疗用具二次碰撞内基层模型而被所述隐式网络所检测到时，所述场景模块利用不同的颜色进行渲染的方式来表征训练者的训练操作的错误。
10.根据一种优选的实施方式，所述场景模块还能够将在其建立的虚拟场景中所进行的训练操作数据输出至分析模块进行分析和分类存储，其中，所述分析模块能够根据接收到的训练操作数据对训练者的训练情况进行分析和数据统计，从而依据分析结果来标记训练者需要继续进行训练操作的三维虚拟模型。
11.根据一种优选的实施方式，所述场景模块根据所述分析模块做出的标记结果建立适合该训练者的三维虚拟模型，从而使训练者能够针对自身操作的不足进行强化训练。
12.根据一种优选的实施方式，所述穿戴模块的视觉单元还能够根据预先设定的偏转角度阈值来筛除训练者头部的转动，从而利用设定的偏转角度阈值来决定在虚拟场景中的三维虚拟模型是否跟随训练者的头位姿的变动而重建。
13.根据一种优选的实施方式，所述手持模拟模块通过在其手持区域的表面设置压力传感单元来监测训练者在训练操作过程中的施力情况，并且根据施力情况以及穿刺结果来分析训练者进行穿刺操作时的施力方式。
14.本发明的技术方案还提供了一种基于虚拟训练及考试评分的方法，其至少包括以下步骤：根据指令生成参数不同的人体组织的三维虚拟模型，并且在建立位于人体组织内的内基层模型的同时，在内基层表面上设置隐式网格；训练者在建立的虚拟场景下对三维虚拟模型进行训练操作，并且输出其工作位置的变动数据，从而通过交互模块来实现训练者的训练操作与三维虚拟模型之间的交互和融合，进而所述隐式网格能够检测出手持模拟模块与内基层组织之间的碰撞。
15.根据一种优选的实施方式，所述场景模块和所述交互模块均设置在穿戴模块上，训练者通过所述穿戴模块来进入所述虚拟场景，并且在虚拟场景下利用所述手持模拟模块进行针对三维虚拟模型的穿刺训练；在所述手持模拟模块与位于所述三维虚拟模型所代表的人体组织的内部的内基层模型发生碰撞时，所述手持模拟模块进入所述内基层模型中而被依附于内基层表面的隐式网络所捕获，从而训练者完成单次穿刺训练。
附图说明
16.图1是本发明所提出的一种优选的基于虚拟训练及考试评分的装置与方法的穿戴模块的结构示意图；
17.图2是本发明所提出的一种优选的基于虚拟训练及考试评分的装置与方法的工作流程示意图。
18.附图标记列表
19.1：场景模块；2：手持模拟模块；3：交互模块；4：穿戴模块；5：分析模块；11：场景创建单元；12：场景输出单元；21：压力传感单元；41：视觉单元；42：虚拟场景展示单元。
具体实施方式
20.下面结合附图进行详细说明。
21.实施例1
22.本技术提供一种基于虚拟训练及考试评分的装置，其包括场景模块1、手持模拟模块2、交互模块3、穿戴模块4和分析模块5。
23.根据图1和2所示的一种具体的实施方式，场景模块1能够根据训练者或管理者从操控终端输入的指令在虚拟场景中生成具有不同参数的人体组织的三维虚拟模型。场景模块1利用提前输入的数据集建立多种三维虚拟模型，从而根据指令直接调取已有的三维虚拟模型或利用已有的三维虚拟模型进行微调重建。场景模块1还能够将训练者握持的手持模拟模块2在虚拟场景中转化为虚拟医疗用具，从而训练者在使用穿戴模块4的情况下利用
手持模拟模块2所对应的虚拟医疗用具在虚拟场景中对三维虚拟模型进行训练操作。场景模块1与手持模拟模块2之间的数据融合是利用交互模块3来实现的，使得手持模拟模块2的工作位置的变动能够直接转化为处于虚拟场景中的虚拟医疗用具在三维虚拟模型上的训练操作。
24.优选地，场景模块1包括场景创建单元11和场景输出单元12。场景创建单元11能够用于在虚拟场景中建立模拟人体组织的三维虚拟模型，并且在三维虚拟模型的内部建立位于人体组织内的内基层模型。优选地，场景创建单元11在建立内基层模型的同时还在内基层模型的内基层表面上设置隐式网格，从而利用隐式网格来检测手持模拟模块2所对应的虚拟医疗用具与内基层模型之间的碰撞。优选地，内基层组织可以是静脉或动脉血管。进一步优选地，内基层组织还可以任意其他的皮下组织和脏器。优选地，场景创建单元11还能够利用交互模块3完成其建立的三维虚拟模型与手持模拟模块2所对应的虚拟医疗用具之间的交互和图像融合，从而将其融合后的虚拟图像利用场景输出单元12传输至穿戴模块4的虚拟场景展示单元42上，使得训练者能够根据在虚拟场景下的三维虚拟模型与虚拟医疗用具之间的相对位置关系来控制手持模拟模块2进行工作位置的变动。
25.优选地，本实施例主要选取血管作为内基层组织进行阐述。具体地，内基层模型即为血管模型，内基层组织即为血管组，内基层表面即为血管壁，尤其是内基层设置隐式网格的表面为血管壁的内表面。优选地，在手持模拟模块2所代表的虚拟医疗用具刺入血管时，场景模块1通过颜色渲染的方式来表征训练者的训练操作的正确性，并且在手持模拟模块2所代表的虚拟医疗用具的刺入运动未被隐式网络所检测到或手持模拟模块2所代表的虚拟医疗用具二次碰撞血管模型而被隐式网络所检测到时，场景模块1利用不同的颜色渲染的方式来表征训练者的训练操作的错误。场景模块1的场景创建单元11能够对训练者在训练过程中的训练操作以图像渲染的方式进行反馈和展示。例如，当训练者握持手持模拟模块2进行血管穿刺训练时，若手持模拟模块2所对应的虚拟医疗针头正确刺入血管，则场景创建单元11将虚拟医疗针头渲染为绿色，以表示针头的穿刺操作无误；当虚拟医疗针头未刺入血管模型时，场景创建单元11不对虚拟医疗针头进行渲染，以表示虚拟医疗针头未与血管模型发生接触碰撞，从而训练者根据虚拟场景中的实时图像调整其握持的手持模拟模块2的位置；当虚拟医疗针头的移动距离超出血管模型的尺寸而未完成有效地穿刺时，场景创建单元11将虚拟医疗针头渲染为红色，以表示虚拟医疗针头虽然与血管模型发生碰撞，但是针头并未有效地进入血管内或针头刺入血管后再次从血管内穿出。
26.优选地，手持模拟模块2用于模拟出训练者手持的注射器、穿刺针和手术刀等医疗用具，从而训练者通过控制手持模拟模块2的工作位置的变化的方式在虚拟场景中控制虚拟医疗用具的运动，进而实现虚拟医疗用具在三维虚拟模型上进行的穿刺或切割训练操作。优选地，手持模拟模块2所输出的工作位置的变动数据能够利用交互模块3与场景模块1的三维虚拟模型进行交互和融合，从而在虚拟场景中实现虚拟医疗用具与三维虚拟模型之间的图像融合。优选地，虚拟医疗用具还能够对三维虚拟模型进行挤压或分割，从而有效地模拟出人体组织在医疗用具作用下出现的变形和组织分离。优选地，交互模块3在进行手持模拟模块2所发生的工作位置的变动而产生的数据与三维虚拟模型的交互和融合时，其还能够对虚拟医疗用具给三维虚拟模型所带来的变化进行分析，从而在针头等虚拟医疗用具刺入三维虚拟模型的血管中时，通过设置在血管壁上的隐式网格来检测虚拟医疗针头与血
管壁之间发生的碰撞，从而方便训练者更好地把握穿刺操作是否正确。优选地，手持模拟模块2的表面还设置有压力传感单元21。分析模块5能够根据压力传感单元21在不同时间点的反馈力以及该时间点所对应的穿刺情况来分析训练者的操作是否存在问题，从而做出进一步的调整或提醒。具体地，压力传感单元21所检测到的握持压力的分布和大小能够表征训练者使用手持模拟模块2时的握持姿势情况和施力情况，分析模块5通过分析训练者完成正确的针刺操作和错误的针刺操作时的数据差异来标记训练者操作时的错误点，从而通过提醒训练者改正标记错误，使得训练者能够以合适的角度、力度和移动距离来完成正确的针刺操作。
27.目前，实习医护人员在进行穿刺、静脉注射以及肌肉注射时，由于其工作经验的不足常常会出现刺入角度和刺入长度的错误而导致刺入效果不佳等问题，因此，在进行针刺训练时，需要针对训练者的姿势和手部运动进行分析，从而对训练者的错误操作进行提醒。具体地，在进行静脉注射时，由于患者的血管分布、血管直径等均存在明显的差异，医护人员容易出现无法有效地将针头刺入静脉血管中，从而使得患者针刺区域出现局部肿胀、疼痛以及回血等不良现象，尤其是针对患者的手部静脉血管较细的情况，医护人员容易出现无法准确地定位出血管的位置、针头没有准确地刺入血管或针头刺入血管后又穿过血管壁进入到人体组织内等情况。因此，为了提高医护人员的医学护理技能的熟练度，本技术提供了一种能够在虚拟场景下模拟出多种血管分布的人体组织模型，以供训练者利用虚拟医疗针头进行针刺训练的装置。优选地，场景模块1能够利用设置在血管壁上的隐式网络来检测手持模拟模块2刺入三维虚拟模型中的血管的情况，并且分析模块5对训练者完成该刺入操作时的手持模拟模块2的受力情况进行分析和记录，从而当同一训练者在同一个三维虚拟模型中完整刺入操作后，通过对比正确的刺入操作所对应的受力情况与错误的刺入操作所对应的受力情况来分析训练者的手部运动存在的问题。例如，当训练者控制虚拟医疗针头刺入血管时，由于刺入位置的误差或刺入角度的偏差导致虚拟医疗针头的前端没有有效地进入到血管中，而是与血管壁发生碰撞后偏移或发生过度穿刺后从血管中二次穿出。在上述情况中，训练者虽然已经有效地掌握了血管模型在三维虚拟模型中的分布情况，但是由于穿刺操作的错误，导致无法有效地将虚拟医疗针头置于血管中。
28.优选地，场景模块1在血管壁上设置隐式网格是为了能够对虚拟医疗针头的刺入是否有效进行检测。优选地，在进行针刺血管操作时，医护人员手持针头的手势、扎针角度和刺入长度均会影响针刺效果，例如，针头刺入血管的倾角过大就会导致针头容易穿透血管，无法将针头前端滞留在血管中；倾角过小，容易出现针头未有效地进入到血管中，针头仅与血管接触而未将针头前端置入血管。具体地，手持模拟模块2所对应的虚拟医疗针头与三维虚拟模型中的血管壁发生碰撞并第一次穿过隐式网格时，手持模拟模块2所对应的虚拟医疗针头完成了一次有效地刺入训练操作。手持虚拟模块2所对应的虚拟医疗针头虽然与血管壁发生碰撞并且被隐式网格检测到血管壁发生变形，但是虚拟医疗针头并未穿过隐式网格时，手持模拟模块2所对应的虚拟医疗针头并未完成一次有效的刺入训练操作，导致此情况的原因可能是，针头的刺入角度和刺入位置存在一定的角度偏差，使得针头虽然与血管发生碰撞，但是未能有效地进入到血管内，此种情况下，人体组织容易出现局部肿胀、疼痛以及血管穿刺点鼓包等不良现象，上述现象表面针头不仅没有有效地进入血管而完成注射液的输入，其还会给患者带来不适。因此，训练者的上述操作被判定为典型的错误操
作，场景模块1能够在后续的训练过程中，侧重进行此类训练，从而提高训练者的操作熟练度。分析模块5还会同步地对训练者的出现上述无效穿刺情况的错误的手部姿态和施力方式进行提醒，从而帮助训练者对错误的手部姿态和施力方式进行纠正，从而帮助训练者将针头准确地刺入血管中。优选地，手持模拟模块2所对应的虚拟医疗针头与三维虚拟模型中的血管壁连续发生碰撞并两侧穿过隐式网格时，手持模拟模块2所对应的虚拟医疗针头没有完成一次有效的刺入训练操作，这是因为针头在刺入血管壁并穿过位于血管壁内侧的隐式网格后，针头又从另一侧的血管壁穿出，导致针头前端并未有效地滞留在血管中，这会导致注射液无法有效地在血管中流动。此外，在进行刺入训练时，三维虚拟模型还能够模拟出皮肤和人体组织受压而发生变形的情况，在此情况下，血管在三维虚拟模型中的位置也可能发生变化，这也可能导致刺入不成功。
29.优选地，场景模块1和交互模块3均设置在穿戴模块4上，并且两者通过有线或无线的方式与穿戴模块4进行信号连接。训练者使用穿戴模块4进入到虚拟场景中，从而获取三维虚拟模型的信息。优选地，穿戴模块4能够将场景输出单元12所输出的融合后的虚拟场景向训练者进行展现，使得训练者能够直观地依据穿戴模块4所展现的虚拟场景控制手持模拟模块2进行工作位置的变动，从而使训练者利用手持模拟模块2所对应的虚拟医疗用具对三维虚拟模型进行针刺和组织分离操作，并且穿戴模块4仿真出的虚拟场景还能够跟随训练者的移动而发生移动，使得训练者获得沉浸式的训练体验，从而使得训练场景更加贴合于现实场景。
30.优选地，穿戴模块4采用眼罩形态，并且穿戴模块4对应于鼻梁位置的表面还设有能够对真实场景中的训练者的手部活动进行采集的视觉单元41。优选地，在手持模拟模块2采集训练者每一次进行训练操作时的穿刺长度和穿刺角度时，视觉单元41能够采集训练者握持手持模拟模块2发生的位置变动来对手持模拟模块2利用交互模块3导入虚拟场景的穿刺角度和穿刺长度进行修正，使得在虚拟场景中的虚拟医疗针头发生的位置变动更准确地贴合手持模拟模块2实际发生的位置变动。优选地，穿戴模块4的视觉单元41还能够根据预先设定的偏转角度阈值来筛除训练者头部的转动，从而利用设定的偏转角度阈值来决定在虚拟场景中的三维虚拟模型是否随训练者的头位姿的变动而重建。具体地，视觉单元41能够根据预先设定的偏转角度阈值来划分场景模块1是否需要根据训练者的头部转动进行训练者的第一视角所观测到的虚拟场景重新建立。具体地，通过设定阈值来决定三维虚拟模型在虚拟场景中的实时坐标及角度是否随人体头位姿的变化而变化。例如，偏转角度的阈值可以是在训练过程中训练者的头位姿在十秒内发生的小于5
°
的偏转，这是由于训练者头部发生的长周期小角度的偏转可能是由于训练者的自适应调节或无意识姿态调节所产生的。因此为了减小场景模块1进行虚拟场景重构的计算量以及避免训练者在频繁晃动变化的虚拟场景下出现眩晕等不良症状，通过设置偏转角度的阈值来维持场景模块建立的虚拟场景的稳定性，并且阈值的设定可以增加场景模块1的响应速度，降低图像的重构频率。场景模块1每一次进行的图像重构都是需要占用大量的内存的，但是有时候训练者的头部的细微晃动，仅仅是为了活动身体以减轻肩颈疲劳，使得训练者能够长时间地保持一个良好的训练状态，此时，训练者的头部偏动并不是想要变换视角或转动环面。因此，阈值的设定就可以避免无效的重构，通过过滤掉训练者的非视角需求的偏动，从而降低训练者无意识动作对于图像变换以及头位姿追踪的干扰，进而减少虚拟场景及三维虚拟模型重构的频
率。
31.看屏幕时有恶心、眩晕的感觉是vr训练中最迫切需要解决的问题，这是因为目前vr系统是根据头部运动定位视野方向，当训练者短时间内快速地进行多个视觉焦点的变化时，部分训练者会有轻微眩晕的感觉。本发明的基于头位姿追踪的虚拟训练装置能够模拟出具有高真实感的虚拟手术环境。训练者使用计算机技术模拟真实的临床手术环境，并且利用生物力学技术提供触觉感知反馈，从而实现具有高沉浸感的虚拟训练。虚拟训练装置作为一种新型手术操作教学训练平台，为医生提供了视觉、触觉等感官上的逼真手术训练环境，并且可以对手术过程中的具体操作进行可重复的强化训练，极大地降低了手术医生的培养成本。通过对不同组织、器官、人体结构等手术对象的创建以及手术环境的开发，虚拟训练装置可以实现各种训练方式，并且满足手术医生的手术需求，可重复利用，不会产生医学垃圾，比传统训练方式更高效、环保。在虚拟手术训练平台上，以虚拟现实的方式模拟真实手术环境，使得训练手术的重复实施极其便利，可以大大地缩减医疗人员手术训练周期，提高学员手术训练效率。
32.优选地，场景模块1能够将在其建立的虚拟场景中所进行的训练操作数据输出至分析模块5进行分析和分类存储。优选地，分析模块5能够根据接收到的训练操作数据对训练者的训练情况进行分析和数据统计，从而依据分析结果来标记训练者需要继续进行重复训练的三维虚拟模型。优选地，场景模块1根据分析模块5做出的标记结果建立适合该训练者的三维虚拟模型，从而使训练者能够针对自身操作的不足进行强化训练。
33.优选地，交互模块3能够依据手持模拟模块2的反馈数据和虚拟场景中三维虚拟模型的位置参数来完成虚拟医疗用具与代表软组织模型支架的三维虚拟模型在同一坐标系内的快速相交测试。优选地，手持模拟模块2能够通过触觉反馈的方式帮助训练者对握持姿势、角度和运动量进行调整。
34.优选地，本发明针对现有技术在检测针管与血管体模型之间的碰撞耗时较长的缺陷，通过在血管内壁额外增加一层仅仅依附于血管内壁的隐式网络以简化碰撞检测算法的时间和空间复杂度。优选地，隐式网络是指在视觉渲染中不进行绘制，其主要是适用于快速检测出针管与血管内壁之间的碰撞，并且还能够根据碰撞结果来示警，从而防止操作者的过度操作而使得针管穿过血管壁。相对于现有技术中的穿刺训练系统和方法，本技术主要是对医护人员的静脉输液扎针或肌肉扎针操作进行训练，帮助实习医护人员快速地提高自身的医学技能。相对于现有技术对是否刺破进行分析和判断，本技术对静脉血管针刺的情况进行更加符合临床情况的针刺结果进行分类，是对针头是否有效置入血管内进行模拟的装置。此外，相对现有技术利用穿刺深度来对穿刺情况进行判断，本技术是为了分辨不同针刺位置所对应的穿刺结果进行分析。
35.本发明将基于位置动力学的形变模型中的体积守恒约束和基于空间划分的形变加速方法用于实际的血管变形中，并且通过设置四面体网格进行针管的建模，从而有效地检测模型之间的碰撞和实验结果的验证。血管壁面模型与针头针管体模型相结合的混合组织几何模型，以提高针头与皮肤、血管壁之间碰撞检测算法的效率。
36.优选地，本发明的虚拟训练装置还设置有用于检测训练者操作过程中变化的穿刺参数的训练仿真义肢。训练仿真义肢能够与虚拟场景中的三维虚拟模型进行重叠，从而为训练者在穿刺训练时提供阻碍针头运动的物理反馈，从而帮助训练者感知更加真实的穿刺
效果。优选地，训练仿真义肢可以是如公开号为cn111754850b的专利文献公开的手臂静脉穿刺训练模型。进一步优选地，本技术所涉及的训练仿真义肢仅需要现有技术的手臂静脉穿刺训练模型的主体结构，不需要内部关于血管部分的昂贵元件。优选地，训练仿真义肢主要是为了提供一个真实的针刺反馈力，帮助训练者更好地掌握针刺的力度。进一步优选地，训练仿真义肢上还可以设置弹簧等弹性元件来模拟皮肤及人体组织的可变形性，从而通过设置在训练仿生义肢上的传感单元监测训练者利用手持模拟模块2施加的针刺力度和角度，并且方便根据训练仿生义肢的变形量分析针刺的长度，从而对虚拟训练装置分析针刺的力度、角度以及长度等进行修正和数据补充，从而更准确地掌握训练者在训练时的手部活动情况。
37.实施例2
38.本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。
39.本实施例提供一种基于虚拟训练及考试评分的方法，其至少包括以下步骤：
40.根据指令生成参数不同的人体组织的三维虚拟模型，并且在建立位于人体组织内的血管模型的同时，在血管壁上设置依附于血管壁的隐式网格；
41.训练者在建立的虚拟场景下对三维虚拟模型进行训练操作，并且输出其工作位置的变动数据，从而通过交互模块3来实现训练者的训练操作与三维虚拟模型之间的交互和融合，进而隐式网格能够检测出手持模拟模块2与血管壁之间的碰撞。
42.优选地，场景模块1和交互模块3均设置在穿戴模块4上，训练者通过穿戴模块4来进入虚拟场景，并且在虚拟场景下利用手持模拟模块2进行针对三维虚拟模型的穿刺训练。在手持模拟模块2与位于三维虚拟模型所代表的人体组织的内部的血管模型发生碰撞时，手持模拟模块2进入血管模型中而被依附于血管壁的隐式网络所捕获，从而训练者完成单次穿刺训练。
43.需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。