一种虚拟仿真正骨手法培训系统及其建立方法
[0077]二、“位置追踪”采集数据的方法:
[0078]为了达到骨折复位的目的，医师针对骨折部位、移位方式的不同而运用特定的手法，这些手法本质上也是一种人体的运动，它遵循人体运动学的规律。为了解正骨手法在ColIes骨折复位中的运动特点，我们先确定专家和助手手部运动的关键点，在复位过程中对这些关键点的运动轨迹进行采集、分析，绘制出运动轨迹曲线，用算法求得这些轨迹曲线的平均曲线、曲线相似度的波动区间以及平均曲线的拟合函数方程式，初步建立该曲线的数学评价模型，实现该手法运动轨迹的客观化、数字化和可评价化；配合位置跟踪器的目的是实时收集手法产生的数据，下面具体介绍实时的方法。
[0079](—)病例选择(同前)
[0080]1.诊断标准同(见附录I)
[0081]2.病例纳入标准(见附录I)
[0082]( 二)具体方法
[0083]1.采集指标:提按正骨手法操作者拇指和助手手背的运动轨迹和时间。
[0084]2.正骨手法复位操作:(同前)
[0085]3.采集设备:
[0086]米用trakSTAR位置跟踪器(美国Ascens1n公司)，它是一款小型磁场传感跟踪系统，原理是传感器在一定范围的磁场内产生微电流，经过处理后获取所处的空间位置XYZ以及三个偏转角。
[0087]4.采集方法:
[0088]将四个传感器编号后分别用胶带固定在操作者双拇指甲及握手部助手手背第3掌骨中点处。操作者左拇指为SI，右拇指为S2，助手左手背为S3，右手背为S4。4个传感器和磁波发生器与主机联接，再通过USB接口与计算机连接，将数据采集软件与硬件接通，采集时间间隔设为10毫秒。患者仰卧位，肘部屈曲90°，前臂中立位。一助手把住上臂，另一助手两手扣紧大小鱼际肌，先顺势拔伸；打开软件的录入功能，术者与助手实施提按正骨手法操作。手法结束后，停止数据录入、保存数据。
[0089]将有时间顺序的三维空间点坐标构成四维数据分解成以时间做为X轴，三维曲线的三个坐标值分别做为Y轴的三组二维数据，分别导入平均曲线及相似度算法程序，求出平均曲线数据以及平均曲线与各曲线的相似度波动区间。
[0090]在本发明中，通过三维建模模块3构建骨折骨断处的三维模型和虚拟人手的三维模型，三维模型传递给显示模块2显示，操作者通过观看显示模块2中显示的骨折骨断处的仿真画面进行正骨操作，数据采集模块I采集操作者的手部动作并通过显示模块2显示的虚拟人手以演示，在演示的过程中，碰撞检测模块4实时检测虚拟人手和骨折处是否有碰撞，形变计算模块5计算有碰撞处的肌肤变形情况，再通过显示模块2显示有碰撞变形后的虚拟画面，并且比较模块7同时将操作者的手部动作与正骨标准手法数据库6中的标准手法做对比，检测操作者的错误与不足，再通过显示模块显示，使得操作者学习改进，通过该虚拟仿真正骨手法培训系统，可以有效的通过虚拟仿真的方法，对中医正骨的方法进行教学。
[0091]在本实施例中，三维建模模块3中包括静态模型控制器和动态模型控制器，静态模型控制器用于生成骨折骨断处和虚拟人手处的骨骼和软组织结构，动态模型控制器用于构建骨骼和软组织的动态模型，虚拟人手的模型需要和数据采集模块I交互，配合位置跟踪器(光学位置追踪器或电磁位置追踪器)，获取人手的手势信息和位置信息，从而对虚拟人手进行控制。除了对骨折骨断处和虚拟人手进行建模以外，还可以对虚拟正骨场景进行建模，如正骨台、正骨用椅、支架等模型。对皮肤、肌肉、脂肪等组织进行简化处理，认为它们是同一个软组织，主要采用面模型和体模型结合进行几何建模，当观察皮肤外观时，采用面模型进行建模；在骨折骨断端的复正仿真过程断面动画显示时，采用体模型建模。软组织的物理模型采用mass-spring模型。将软组织看成是一个质量阻尼系统。
[0092]正骨标准手法数据库6通过对专家的手法进行收集，收集的数据包括正骨手法的人体姿态、手的姿态、施力方式和施力大小的数据。由专家进行手法复位，获得手的动作数据，用统计学方法将数据拟合，生成一个标准动作轨迹，计算出专家多次手法的波动区间。对不同手法和骨折部位，按照关键施力点将手法过程划分为多个阶段，并将对关键施力点的专家动作方向进行抽象，建立手法数据库模式并将相关的手法数据存入到数据库。
[0093]碰撞检测模块4的检测贯穿于正骨仿真的整个过程中，并且在一定时间间隔内完成肌肤与虚拟人手、骨折部位两骨段之间的碰撞检测。
[0094]形变计算模块5中在计算手指的碰撞模型中使用球体扫掠体，在计算手掌的碰撞模型中使用组合方向包围盒方法。为了表现变形的过程，把质量和阻尼加到模型中，将变形过程看成是一个动态的线弹性有限元系统，通过数值计算来求解形变。
[0095]参阅图2所示，本发明还提供一种根据上述虚拟仿真正骨手法培训系统的建立方法，包括以下步骤，
[0096]S1、虚拟人手的建模和动态控制，
[0097]通过三维软件实现对虚拟人手建模和动态控制，能够完成关节的基本手部动作；要做到数据采集模块I与虚拟人手的建模除了需要构建几何模型外，还需要构建的运动进行建模，这涉及到骨骼体积和质心计算方案、骨骼转动方案、关节约束方案、肌肤拉伸变形模拟方案的研宄和选取。把人手看成是多杆多铰链的结构，关节链上不同部位的关节实现不同级别的运动的，并具有由上至下的传递特性，构成手模型、手掌模型、手指模型、关节模型的层次关系和关联关系。同一级别的关节具有相同或相似的特点，不同级别的关节具有上下级的层次依附关系，形成具有横向和纵向的相关性和不相关性。关联性主要体现在图形坐标系的相关性上。虚拟人手的坐标系原点设定在手腕运动的支点处，并设定手指的关节作为手指指节模型的坐标原点。虚拟人手的整体坐标系和局部坐标系的关联。虚拟人手的运动包括了移动、转动、摆动等运动。这些运动受到各个关节的约束。虚拟人手的运动由虚拟人手本身作为整体的运动和由多个关节的简单运动复合而成的手势运动组成。最终的复合运动可以看成是由简单的移动、转动、摆动等经过若干次的叠加而成的。为了把数据采集模块I所采集的手势信息传递给虚拟人手，在数据采集模块I的传感器和虚拟手的关节、手和手腕等之间建立了一一对应的映射关系的映射，实时地改变虚拟手的手势，控制其运动。模型建立以后需要对模型进行验证，验证系统中可以对手部模型进行十分灵活的控制，基本能够做到人手实际能完成的姿势，模型也能够完成，甚至于一些相对于实际而言更高难度的动作也可以完成，也就是说，演示系统中手部模型的自由度与现实中的手的自由度是无异的。所以手部模型能够完成形如抓取，弯曲，握拳等基本的手部动作。
[0098]S2、骨折端及肌肤的建模，
[0099]对于典型的骨折断端的几何模型的构建；这需要对常见的伤骨的断面进行收集整理分析，提取典型的骨折断面形态。而且要模拟骨折骨段在受力情况下运动情况，需要在几何模型的基础上构建骨折部位的物理模型。
[0100]通过对于典型的骨折断端的几何模型的构建，采用的CT、MRI等影像数据在虚拟现实的工作平台进行三维重建，再将模型导入到3dsMax工具进行进一步处理，得到能够被OpenGL处理的模型。并且对皮肤、肌肉、脂肪等组织进行简化处理，认为它们是同一个软组织，主要采用面模型和体模型结合进行几何建模，当观察皮肤外观时，采用面模型进行建模；在骨折骨断端的复正仿真过程断面动画显示时，采用体模型建模。软组织的物理模型采用mass-spring模型。将软组织看成是一个质量阻尼系统。
[0101]S3、手部模型的碰撞检测，
[0102]使用包围盒形体代替原有模型来进行形体碰撞的计算；用细致的球体扫掠体(圆柱体的两端带有半球形突出)作为手指的包围盒，而手掌部分则可以使用组合的方向包围盒方法。但是，由于采用了球体扫掠体，计算的复杂度大大增加。所以运用层次包围盒的方法，最大化的简化了运算次数，使整个演示系统在保障精确度的同时，在效率上也能达到一个平衡。层次包围盒技术的总体思想是先用最简单的包围盒将整个形体包围，最初只需计算这些简单的包围盒直接的碰撞，若结果显示为碰撞，则再进行后续更加贴合的包围盒部分的检测计算。当检测到发生碰撞的时候，就可以根据两个碰撞包围盒之间的最近点连线，获得模型上的碰撞点。得到碰撞点之后，就能够进行后续的形变工作。
[0103]S4、采用有限元法进行变形检测，
[0104]使用有限元分析软件求解形变；为了表现变形的过程把质量和阻尼
文档序号 :
【 8457984 】
技术研发人员：关宏刚,黄若景
技术所有人：关宏刚,黄若景
备 注：该技术已申请专利，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
声 明 ：此信息收集于网络，如果你是此专利的发明人不想本网站收录此信息请联系我们，我们会在第一时间删除
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