一种静脉穿刺虚拟训练方法及系统与流程

1.本发明涉及静脉穿刺训练的技术领域，尤其涉及一种静脉穿刺虚拟训练方法及系统。


背景技术：

2.静脉穿刺技术是临床治疗和抢救工作中的一项基本技术，能否迅速、准确、一次成功地完成静脉穿刺是治疗患者疾病、抢救患者生命的关键。而现阶段高校护理实训课程中所使用的各种静脉穿刺模型，价格昂贵，训练反馈滞后，训练科学性不足，影响了穿刺技术掌握的熟练程度。为解决以上问题，我们制作了实时，精细，科学的静脉穿刺虚拟训练方法，提高学生的练习效率，让学生能更快的掌握这项技术。
3.计算力学是根据力学中的理论，利用现代电子计算机和各种数值方法，解决力学中的实际问题的一门新兴学科，用工程和力学的概念和理论建立计算模型；用数学知识寻求最恰当的数值计算方法，编制计算程序进行数值计算，在计算机上求出答案；运用工程和力学的概念判断和解释所得结果和意义，做出科学理论。红外检测作为一种广泛应用的检测技术，存在一些难以解决的缺点，比如容易受环境影响，分辨率差，检测方法相对复杂。本发明采用的力学系统将很大程度上解决这些问题。
4.现今与本发明相似的实现方案是一种自主学习人体全身静脉及动脉穿刺训练及考试系统平台，该平台主要包含系统和设备两部分。主要包含教学视频，模拟练习系统，训练模型，操作平台等。实现过程如下，学生在模拟训练系统登录，观看静脉穿刺的教学视频，熟悉相关流程及技术要领后，使用虚拟静脉穿刺模拟系统，在操作平台上，通过相应练习项目选择模型，练习过程中，通过针头的红外检测感应器及微电脑的分析，反馈学生的练习情况，并给出建议，以及后续针对性训练。
5.上述方案存在缺陷：学生进行静脉穿刺模拟训练过程中，练习过程主要是通过红外检测感应器进行检测，检测过程受环境影响大，分辨率差，检测过程相对复杂。对训练过程的评价需要集群的分析和人进行判断，这样使得练习方法不够科学，精细，高效。


技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种静脉穿刺虚拟训练方法及系统，进行力学模拟，建立计算模型，用数学知识寻求最恰当的数值计算方法；通过传感器实时受力分析的检测结果，编制计算机程序进行数值计算，在计算机上对练习的过程进行精细，科学，高效的判断，并根据计算分析给出建议。应用于教学，让学习者在寓教于乐环境下，增强学习兴趣，提高教学效果，减轻教师教学压力，通过虚实结合的强化自主学习，达到熟练掌握静脉穿刺技术的教学目的。
7.本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
8.一种静脉穿刺虚拟训练系统，包括：练习模型，力反馈设备，计算主机；
9.所述力反馈设备，末端连接有模拟刀具，用于捕获所述模拟刀具在所述练习模型
上运动信息，并将所述模拟刀具的所述运动信息同步到所述计算主机；
10.所述计算主机，用于建立穿刺组织离散模型，并依据所述力反馈设备反馈的所述运动信息在所述穿刺组织离散模型上模拟静脉穿刺的过程。
11.进一步地，所述力反馈设备，还包括：机械臂和力学信息反馈装置；
12.所述机械臂一端与所述力学信息反馈装置连接，另一端与所述模拟刀具连接；
13.所述机械臂的运动关节内部设置有力传感器，当学员手持所述模拟刀具在所述练习模型上运动时，所述运动关节跟随所述模拟刀具运动，所述运动关节内部的所述力传感器捕获到所述运动关节运动的力学信息反馈给所述力学信息反馈装置，所述力学信息反馈装置反馈所述力学信息到所述计算主机。
14.进一步地，所述力反馈装置，还包括：驱动电机；
15.所述驱动电机设置于所述机械臂的所述运动关节连接处，用于捕获所述所述运动关节运动的位置信息和角度信息，进而根据所述运动关节运动的位置信息推算出所述模拟刀具的位置信息和角度信息。
16.进一步地，所述穿刺组织离散模型，具体为：
17.根据生物组织厚度将组织离散为三角形单元和质点弹簧系统，将血管壁离散为多层的所述质点弹簧系统，考虑穿刺刀具的接触刚度，将所述穿刺刀具离散为刚性体；
18.采用所述穿刺刀具的球形包容体代表所述穿刺刀具和静脉的碰撞接触过程，所述碰撞接触过程为所述球形包容体与离散的所述三角形单元之间的碰撞检测过程；
19.所述力反馈设备控制所述计算主机上虚拟场景下的所述穿刺刀具的移动，移动到所述穿刺组织离散模型的表面，所述穿刺刀具顶端的所述球形包容体与穿刺组织碰撞接触，产生接触力，引起组织弹性变形。
20.进一步地，对于离散的所述质点弹簧系统，所述质点弹簧系统的平衡等同于所有质点的平衡，所述质点的位移计算满足公式：
[0021][0022]
式中：
[0023][0024]
其中，mi表示模型中所述质点i的质量，k
ij
表示离散的所述质点弹簧系统中所述质点i与所述质点j之间的弹簧系数，c
ij
表示离散的所述质点弹簧系统中所述质点i与所述质点j之间的阻尼系数，x,分别表示所述质点的位移、速度与加速度，l
ij
表示所述质点i与所述质点j之间的距离，表示所述质点i与所述质点j之间的初始距离，f
ext
为所述质点弹簧系统所受外力。
[0025]
进一步地，对于离散的软组织的所述三角形单元，计算过程满足公式：
[0026][0027]
其中，f
int
为所述三角形单元内力，对于线弹性系统而言f
int
＝kx，k表示刚度矩阵，mi表示模型中所述三角形单元i的质量，x,分别表示所述三角形单元的位移、速度与加速度，c
ij
表示所述三角形单元i与所述三角形单元j之间的阻尼系数，f
ext
为所述三角形单元
所受外力，计算得到离散的所述三角形单元的位移，进而更新所述三角形单元单元内部应力与应变。
[0028]
进一步地，所述计算主机，还用于在仿真虚拟训练时间步内，实时保存包括穿刺组织力学性能、接触力、所述模拟刀具的角度和位置在内的信息，并与真实的穿刺过程信息对比，分析仿真虚拟训练过程中包括角度、速度在内的信息，给出训练评分以及错误项，优化仿真虚拟训练过程。
[0029]
一种采用如上述的静脉穿刺虚拟训练系统执行的静脉穿刺虚拟训练方法，包括以下步骤：
[0030]
s1：在练习模型上移动力反馈设备末端的模拟刀具；
[0031]
s2：所述力反馈设备捕获所述模拟刀具在所述练习模型上的运动信息，并将所述运动信息同步到所述计算主机，根据所述运动信息中反馈的力学信息、位置信息和角度信息，进行穿刺刀具的球形包容体和静脉组织碰撞检测；
[0032]
s3：实时更新离散的组织单元力学性能状态与组织变形；
[0033]
s4：实时更新组织表面渲染几何模型。
[0034]
一种计算机设备，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有计算机代码，所述计算机代码被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如上述的方法。
[0035]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机代码，当所述计算机代码被执行时，如上述的方法被执行。
[0036]
与现有技术相比，本发明包括以下有益效果是：
[0037]
通过提供一种静脉穿刺虚拟训练系统，包括：练习模型，力反馈设备，计算主机；所述力反馈设备，末端连接有模拟刀具，用于捕获所述模拟刀具在所述练习模型上运动信息，并将所述模拟刀具的所述运动信息同步到所述计算主机；所述计算主机，用于建立穿刺组织离散模型，并依据所述力反馈设备反馈的所述运动信息在所述穿刺组织离散模型上模拟静脉穿刺的过程。上述技术方案，对刀具及模型进行力学模拟，建立计算模型，用数学知识寻求最恰当的数值计算方法；通过传感器实时受力分析的检测结果，编制计算机程序进行数值计算，在计算机上对练习的过程进行精细，科学，高效的判断，并根据计算分析给出建议。应用于教学，让学习者在寓教于乐环境下，增强学习兴趣，提高教学效果，减轻教师教学压力，通过虚实结合的强化自主学习，达到熟练掌握静脉穿刺技术的教学目的。
附图说明
[0038]
图1为本发明静脉穿刺虚拟训练系统的整体结构图；
[0039]
图2为本发明建立穿刺组织离散模型的示意图；
[0040]
图3为本发明静脉穿刺虚拟训练方法的整体流程图。
具体实施方式
[0041]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
[0042]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
[0043]
现有的静脉穿刺虚拟训练系统，主要包含操作平台、穿刺仿真模型、分析模拟主机以及单元化语音视听系统。这些虚拟静脉穿刺训练系统存在如下技术缺陷：
[0044]
(1)穿刺仿真模型只建立穿刺组织的表面渲染模型，没有建立穿刺组织内部结构，模型不够精细，仿真过程偏重于视觉效果的模拟，难以逼真模拟静脉穿刺变形过程。
[0045]
(2)穿刺模拟过程静脉组织变形大多采用基于几何的变形方法，这种算法实施简单，较为容易的实现大范围的变形控制，但对于局部实时反馈控制变形能力有限。
[0046]
(3)通过视觉反馈模拟训练效果，缺少力反馈通道，判断训练效果仅包含个人主观标准，难以通过多次训练后客观评估进而优化训练过程。
[0047]
由于以上技术缺陷，使得受训人员在进行静脉穿刺虚拟训练的过程中，训练的方法不够客观，训练效率比较低下，仿真训练的目标达成度与现实临床实践穿刺训练差距较大。
[0048]
为了解决上述问题，本发明通过基于计算力学的静脉穿刺过程实时模拟，建立穿刺组织的表面与内部实体模型，静脉穿刺过程中实时视觉与力觉仿真模拟。配合精密的力学传感感器，实时、精细、科学的检测受训人员的训练过程，提高受训人员效率和技术水平。
[0049]
第一实施例
[0050]
如图1所示，本实施例提供了一种静脉穿刺虚拟训练系统，包括：练习模型，力反馈设备，计算主机。
[0051]
所述力反馈设备，末端连接有模拟刀具，用于捕获所述模拟刀具在所述练习模型上运动信息，并将所述模拟刀具的所述运动信息同步到所述计算主机。所述计算主机，用于建立穿刺组织离散模型，并依据所述力反馈设备反馈的所述运动信息在所述穿刺组织离散模型上模拟静脉穿刺的过程。
[0052]
具体的，对于本发明主要包含两个方面，即硬件系统和软件系统。
[0053]
硬件系统主要包括精密力传感器的力反馈设备、练习模型、操作台、计算主机以及显示器。如图1所示，当培训学员手持力反馈设备末端的模拟刀具在练习模型(图1中为实体模拟手臂，为一种具体的举例)上运动时，模拟刀具的运动将被力反馈设备中的力传感器捕获，同步更新位姿到穿刺组织离散模型的模拟计算场景中的离散穿刺刀具上，模拟静脉穿刺过程。
[0054]
对于力反馈设备，除了模拟刀具外，还包括：机械臂和力学信息反馈装置。机械臂为多自由度机械臂，具有若干个运动关节(如图1，为具备三个运动关节的机械臂)。机械臂一端与所述力学信息反馈装置连接，另一端与所述模拟刀具连接；所述机械臂的运动关节内部设置有力传感器，当学员手持所述模拟刀具在所述练习模型上运动时，所述运动关节跟随所述模拟刀具运动，所述运动关节内部的所述力传感器捕获到所述运动关节运动的力学信息反馈给所述力学信息反馈装置，所述力学信息反馈装置反馈所述力学信息到所述计算主机。
[0055]
所述力反馈装置，还包括：驱动电机；所述驱动电机设置于所述机械臂的所述运动关节连接处，用于捕获所述运动关节运动的位置信息和角度信息，进而根据所述运动关节运动的位置信息推算出所述模拟刀具的位置信息和角度信息。
[0056]
通过上述力传感器、驱动电机实时捕获的包括力学信息、位置信息和角度信息在内的运动信息，由于模拟刀具与机械臂末端是刚性连接，可以推算出模拟刀具在进行穿刺的过程中与练习模型中各组织接触时球形包容体(刀具)与离散三角形单元(组织)之间的碰撞力数据，模拟刀具的位置、速度和姿态数据。
[0057]
软件系统，通过力学模拟建立的穿刺组织离散模型，计算方法，通过力传感器收集实时信息的系统，编制计算程序，学员模拟练习系统等方面。学员在使用时，首先登录模拟练习系统，明确练习内容及相关的技术要点，加载手臂穿刺离散模型，进行相关科目的练习内容，通过力传感器与编制的力学计算软件实时数据交换和分析，实时指导学生的练习过程，并在学生练习过后给出相应的评价。
[0058]
如图2所示，为穿刺组织离散模型的示意图，具体为：
[0059]
根据生物组织厚度将组织离散为三角形单元和质点弹簧系统，将血管壁离散为多层的所述质点弹簧系统，考虑穿刺刀具的接触刚度，将所述穿刺刀具离散为刚性体；采用所述穿刺刀具的球形包容体代表所述穿刺刀具和静脉的碰撞接触过程，所述碰撞接触过程为所述球形包容体与离散的所述三角形单元之间的碰撞检测过程；所述力反馈设备控制所述计算主机上虚拟场景下的所述穿刺刀具的移动，移动到所述穿刺组织离散模型的表面，所述穿刺刀具顶端的所述球形包容体与穿刺组织碰撞接触，产生接触力，引起组织弹性变形。
[0060]
进一步地，对于离散的所述质点弹簧系统，所述质点弹簧系统的平衡等同于所有质点的平衡，所述质点的位移计算满足公式：
[0061][0062]
式中：
[0063][0064]
其中，mi表示模型中所述质点i的质量，k
ij
表示离散的所述质点弹簧系统中所述质点i与所述质点j之间的弹簧系数，c
ij
表示离散的所述质点弹簧系统中所述质点i与所述质点j之间的阻尼系数，x,分别表示所述质点的位移、速度与加速度，l
ij
表示所述质点i与所述质点j之间的距离，表示所述质点i与所述质点j之间的初始距离，f
ext
为所述质点弹簧系统所受外力。
[0065]
对于离散的软组织的所述三角形单元，计算过程满足公式：
[0066][0067]
其中，f
int
为所述三角形单元内力，对于线弹性系统而言f
int
＝kx，k表示刚度矩阵，mi表示模型中所述三角形单元i的质量，x,分别表示所述三角形单元的位移、速度与加速度，c
ij
表示所述三角形单元i与所述三角形单元j之间的阻尼系数，f
ext
为所述三角形单元所受外力，计算得到离散的所述三角形单元的位移，进而更新所述三角形单元单元内部应力与应变。在不断加大接触外力作用下，静脉组织发生塑性变形直至达到生物组织力学极
限性能而破裂。模拟穿刺过程中，根据时间步，实时更新离散组织单元的力学性能状态与组织变形，进而更新组织表面渲染几何模型。硬件系统中精密力传感器可以实时输出虚拟刀具穿刺过程接触力，力觉与视觉耦合渲染逼真的模拟穿刺模拟过程。
[0068]
进一步地，本发明的静脉穿刺虚拟训练系统，还包括：所述计算主机，还用于在仿真虚拟训练时间步内，实时保存包括穿刺组织力学性能、接触力、所述模拟刀具的角度和位置在内的信息，并与真实的穿刺过程信息对比，分析仿真虚拟训练过程中包括角度、速度在内的信息，给出训练评分以及错误项，优化仿真虚拟训练过程。
[0069]
第二实施例
[0070]
如图3所示，本实施例提供了一种采用如第一实施例中的静脉穿刺虚拟训练系统执行的静脉穿刺虚拟训练方法，包括以下步骤：
[0071]
s1：在练习模型上移动力反馈设备末端的模拟刀具。
[0072]
s2：所述力反馈设备捕获所述模拟刀具在所述练习模型上的运动信息，并将所述运动信息同步到所述计算主机，根据所述运动信息中反馈的力学信息、位置信息和角度信息，进行穿刺刀具的球形包容体和静脉组织碰撞检测。
[0073]
s3：实时更新离散的组织单元力学性能状态与组织变形。
[0074]
s4：实时更新组织表面渲染几何模型。
[0075]
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机代码，当计算机代码被执行时，如上述方法被执行。本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(rom，read only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁盘或光盘等。
[0076]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
[0077]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0078]
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种静脉穿刺虚拟训练系统，其特征在于，包括：练习模型，力反馈设备，计算主机；所述力反馈设备，末端连接有模拟刀具，用于捕获所述模拟刀具在所述练习模型上运动信息，并将所述模拟刀具的所述运动信息同步到所述计算主机；所述计算主机，用于建立穿刺组织离散模型，并依据所述力反馈设备反馈的所述运动信息在所述穿刺组织离散模型上模拟静脉穿刺的过程。2.根据权利要求1所述的静脉穿刺虚拟训练系统，其特征在于，所述力反馈设备，还包括：机械臂和力学信息反馈装置；所述机械臂一端与所述力学信息反馈装置连接，另一端与所述模拟刀具连接；所述机械臂的运动关节内部设置有力传感器，当学员手持所述模拟刀具在所述练习模型上运动时，所述运动关节跟随所述模拟刀具运动，所述运动关节内部的所述力传感器捕获到所述运动关节运动的力学信息反馈给所述力学信息反馈装置，所述力学信息反馈装置反馈所述力学信息到所述计算主机。3.根据权利要求2所述的静脉穿刺虚拟训练系统，其特征在于，所述力反馈装置，还包括：驱动电机；所述驱动电机设置于所述机械臂的所述运动关节连接处，用于捕获所述所述运动关节运动的位置信息和角度信息，进而根据所述运动关节运动的位置信息推算出所述模拟刀具的位置信息和角度信息。4.根据权利要求1所述的静脉穿刺虚拟训练系统，其特征在于，所述穿刺组织离散模型，具体为：根据生物组织厚度将组织离散为三角形单元和质点弹簧系统，将血管壁离散为多层的所述质点弹簧系统，考虑穿刺刀具的接触刚度，将所述穿刺刀具离散为刚性体；采用所述穿刺刀具的球形包容体代表所述穿刺刀具和静脉的碰撞接触过程，所述碰撞接触过程为所述球形包容体与离散的所述三角形单元之间的碰撞检测过程；所述力反馈设备控制所述计算主机上虚拟场景下的所述穿刺刀具的移动，移动到所述穿刺组织离散模型的表面，所述穿刺刀具顶端的所述球形包容体与穿刺组织碰撞接触，产生接触力，引起组织弹性变形。5.根据权利要求4所述的静脉穿刺虚拟训练系统，其特征在于，还包括：对于离散的所述质点弹簧系统，所述质点弹簧系统的平衡等同于所有质点的平衡，所述质点的位移计算满足公式：式中：其中，m
i
表示模型中所述质点i的质量，k
ij
表示离散的所述质点弹簧系统中所述质点i与所述质点j之间的弹簧系数，c
ij
表示离散的所述质点弹簧系统中所述质点i与所述质点j之间的阻尼系数，x,分别表示所述质点的位移、速度与加速度，l
ij
表示所述质点i与所述质点j之间的距离，表示所述质点i与所述质点j之间的初始距离，f
ext
为所述质点弹簧
系统所受外力。6.根据权利要求4所述的静脉穿刺虚拟训练系统，其特征在于，还包括：对于离散的软组织的所述三角形单元，计算过程满足公式：其中，f
int
为所述三角形单元内力，对于线弹性系统而言f
int
＝kx，k表示刚度矩阵，m
i
表示模型中所述三角形单元i的质量，x,分别表示所述三角形单元的位移、速度与加速度，c
ij
表示所述三角形单元i与所述三角形单元j之间的阻尼系数，f
ext
为所述三角形单元所受外力，计算得到离散的所述三角形单元的位移，进而更新所述三角形单元单元内部应力与应变。7.根据权利要求1所述的静脉穿刺虚拟训练系统，其特征在于，还包括：所述计算主机，还用于在仿真虚拟训练时间步内，实时保存包括穿刺组织力学性能、接触力、所述模拟刀具的角度和位置在内的信息，并与真实的穿刺过程信息对比，分析仿真虚拟训练过程中包括角度、速度在内的信息，给出训练评分以及错误项，优化仿真虚拟训练过程。8.一种采用如权利要求1-7任意一项所述的静脉穿刺虚拟训练系统执行的静脉穿刺虚拟训练方法，包括以下步骤：s1：在练习模型上移动力反馈设备末端的模拟刀具；s2：所述力反馈设备捕获所述模拟刀具在所述练习模型上的运动信息，并将所述运动信息同步到所述计算主机，根据所述运动信息中反馈的力学信息、位置信息和角度信息，进行穿刺刀具的球形包容体和静脉组织碰撞检测；s3：实时更新离散的组织单元力学性能状态与组织变形；s4：实时更新组织表面渲染几何模型。9.一种计算机设备，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有计算机代码，所述计算机代码被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如权利要求8中任一项所述的方法。10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机代码，当所述计算机代码被执行时，如权利要求8中任一项所述的方法被执行。

技术总结
本发明涉及静脉穿刺训练技术领域，提供了一种静脉穿刺虚拟训练系统，包括：练习模型，力反馈设备，计算主机；力反馈设备，末端连接有模拟刀具，用于捕获模拟刀具在练习模型上运动信息，并将模拟刀具的运动信息同步到计算主机；计算主机，用于建立穿刺组织离散模型，并依据力反馈设备反馈的运动信息在穿刺组织离散模型上模拟静脉穿刺的过程。进行力学模拟，建立计算模型，用数学知识寻求最恰当的数值计算方法；通过传感器实时受力分析的检测结果，编制计算机程序进行数值计算，在计算机上对练习的过程进行精细，科学，高效的判断，并根据计算分析给出建议。析给出建议。析给出建议。


技术研发人员：李洪成 张伟
受保护的技术使用者：上海钦念信息技术有限公司
技术研发日：2023.01.30
技术公布日：2023/7/21