一种基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真系统及方法

摘要

本发明属于手术仿真技术领域，公开了一种基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真系统及方法，基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真系统包括：高光提示模块、造影模拟模块、手术器材抓取模块、导丝插入模块、冠脉造影影像显示模块、造影液推进模块、数值显示模块、语音提示模块、止血模块、显示模块。本发明提供的基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真系统，支持多人协同操作，最多可5人同时参与到手术中，可以训练医护人员的配合能力，协同处理并发症的能力。同时，本发明提供的仿真系统收纳了200多例数据库的真实信息，根据发病率不同模拟不同的病变位置及程度，并与真实手术的处理结果相互对比。

说明书

技术领域

本发明属于手术仿真技术领域，尤其涉及一种基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真系统及方法。

背景技术

目前，仿真是利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统，又称模拟。这里所指的模型包括物理的和数学的，静态的和动态的，连续的和离散的各种模型。仿真与数值计算、求解方法的区别在于它首先是一种实验技术。

但是，现有仿真设备一般为单人操作模式，只能有一个操作者，无法实现多人协同操作；同时，由于病变单一，只有简单的一个或者多个病变类型，现有仿真设备无法实现复杂的病变模拟。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有仿真设备一般为单人操作模式，只能有一个操作者，无法实现多人协同操作。

(2)由于病变单一，只有简单的一个或者多个病变类型，现有仿真设备无法实现复杂的病变模拟。

解决以上问题及缺陷的难度为：

现有的虚拟现实仿真设备只有一个头部显示仪和最多两个手柄。主要受到红外线定位装置和系统程序设计的限制。

解决以上问题及缺陷的意义为：

本发明采用了加速度追踪系统、计算核心单元、软件硬件综合管理平台、优化部署方案实现多人同台操作。现有的冠脉造影病变的病变设计多为单一病变设计，因为需要设计大量的冠脉病变模型，本发明收集了大量临床资料，分析了病变位置，总结并设计了最常见的病变位置及类型。

本发明减少培训时间，并降低辐射危害，改变通过真实患者训练操作的弊端；通过虚拟现实技术手段，高仿真的还原冠脉支架植入的整过过程，模拟操作每个细节步骤，达到科普、教学、科研、培训的应用目标。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真系统及方法。

本发明是这样实现的，一种基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真系统，包括：

高光提示模块、造影模拟模块、手术器材抓取模块、导丝插入模块、冠脉造影影像显示模块、造影液推进模块、数值显示模块、语音提示模块、止血模块、显示模块。

高光提示模块，用于通过高光提示手术器具的使用顺序；

造影模拟模块，用于通过造影机进行手术位置及造影效果的模拟，并进行病变处的变大操作；

手术器材抓取模块，用于依次抓取手术所需的穿刺针、导丝、鞘管、造影导管、Y阀、四联三通管、造影注射器、硝酸甘油注射器、指引导丝、指引导管、快速交换球囊扩张导管、充盈压力泵、压力传感器以及支架，并依次放入到相应的手术位置；

导丝插入模块，用于将导丝插入到穿刺针；

冠脉造影影像显示模块，包括两个按钮，用于显示左冠脉造影和右冠脉造影，点击左冠脉造影会在造影机的屏幕上显示出导管进入左冠脉的影像，点击右冠脉造影，会显示右冠脉造影的影像；

造影液推进模块，用于进行推造影液的操作；

数值显示模块，用于通过压力泵上的UI面板显示出压力泵的压力数值和一个释放UI的按钮；抓起手柄放在压力泵上扣动扳机键，压力泵表盘上的指针会旋转，并且在UI面板上显示出当前的压力数值，加压到需要的压力值后，手柄放到释放压力的按钮上扣动扳机键会释放压力；

语音提示模块，用于播放穿刺针的动画并进行心脏介入技术的介绍、造影导丝及作用的语音介绍、球囊及支架的语音介绍；并在手术结束时，会提示手术成功结束后的结束语；

止血模块，用于通过止血阀进行术后止血；

显示模块，用于通过Oculus虚拟现实头戴显示器显示手术器材所需要连接的位置。

进一步，所述基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真系统还包括Oculus虚拟现实头戴显示器、Alice光学定位仪、wii手柄以及惯性定位模块。

本发明的另一目的在于提供一种基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真的方法包括以下步骤：

步骤一，通过高光提示模块利用高光提示手术器具的使用顺序。

步骤二，通过造影模拟模块利用造影机进行手术位置及造影效果的模拟，并进行病变处的变大操作。

步骤三，通过手术器材抓取模块依次抓取手术所需的穿刺针、导丝、鞘管、造影导管、Y阀、四联三通管、造影注射器、硝酸甘油注射器、指引导丝、指引导管、快速交换球囊扩张导管、充盈压力泵、压力传感器以及支架，并依次放入到相应的手术位置。

步骤四，通过导丝插入模块将导丝插入到穿刺针。

步骤五，通过冠脉造影影像显示模块显示左冠脉造影和右冠脉造影，点击左冠脉造影会在造影机的屏幕上显示出导管进入左冠脉的影像，点击右冠脉造影，会显示右冠脉造影的影像。

步骤六，通过造影液推进模块进行推造影液的操作；通过数值显示模块利用压力泵上的UI面板显示出压力泵的压力数值和一个释放UI的按钮。

步骤七，抓起手柄放在压力泵上扣动扳机键，压力泵表盘上的指针会旋转，并且在UI面板上显示出当前的压力数值，加压到需要的压力值后，手柄放到释放压力的按钮上扣动扳机键会释放压力。

步骤八，通过语音提示模块播放穿刺针的动画并进行心脏介入技术的介绍、造影导丝及作用的语音介绍、球囊及支架的语音介绍；并在手术结束时，会提示手术成功结束后的结束语。

步骤九，通过止血模块利用止血阀进行术后止血；通过显示模块利用Oculus虚拟现实头戴显示器显示手术器材所需要连接的位置。

造影机位置的模拟是通过左手手柄的上下左右来调节造影机位置的。

导丝进入的位置是通过手柄拾取穿刺导丝后，进行空间位置的移动，与穿刺针接触并释放即可将穿刺导丝进入到穿刺针内。

具体操作步骤包括：

(1)穿刺，操作者由右侧上肢桡动脉进行穿刺。

(2)指引导管置入。

(3)导引导丝的准备和置入，将造影导管分别置入左右灌装窦口。

(4)多种体位下对冠状动脉进行造影。诊断病变位置程度，制定下一步的治疗方案；

(5)球囊扩张。选择合适的球囊导管扩张冠脉狭窄处，或开通闭塞的血管；

(6)支架置入和后扩张。选择合适的支架定位于狭窄处，并加压释放支架。

(7)撤出介入器械并处理穿刺处。使用压迫器压迫穿刺点。

另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

通过高光提示模块利用高光提示手术器具的使用顺序；

通过造影模拟模块利用造影机进行手术位置及造影效果的模拟；

通过手术器材抓取模块依次抓取手术所需的穿刺针、导丝、鞘管、造影导管、Y阀、四联三通管、造影注射器、硝酸甘油注射器、指引导丝、指引导管、快速交换球囊扩张导管、充盈压力泵、压力传感器以及支架；

通过导丝插入模块将引导导丝的运行位置；

通过冠脉造影影像显示模块显示左冠脉造影和右冠脉造影，点击左冠脉造影在造影机的屏幕上显示出导管位置的影像；

通过造影液推进模块进行推造影液；通过数值显示模块利用压力泵上的UI面板显示出压力泵的压力数值和一个释放UI的按钮；

启动压力泵，并且在UI面板上显示出当前的压力数值；

通过语音提示模块播放穿刺针的动画、造影导丝、球囊及支架的实时信息；

通过止血模块利用止血阀进行止血；通过显示模块利用Oculus虚拟现实头戴显示器显示手术器材所需要连接的位置。

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真方法。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真方法。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真系统的多病变操作仿真设备。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真系统的造影机。

本发明的另一目的在于提供一种控制器，所述控制器用于执行所述基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真方法。所述基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真方法通过U3D技术或UE4技术实现运行。

本发明的另一目的在于提供一种运行所述基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真方法的终端，所述终端搭载运行基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真方法的控制器，以及进行信息显示的显示器。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真系统，支持多人协同操作，最多可5人同时参与到手术中，可以训练医护人员的配合能力，协同处理并发症的能力。同时，本发明提供的仿真系统收纳了200多例数据库的真实信息，根据发病率不同模拟不同的病变位置及程度，并与真实手术的处理结果相互对比。

本发明技术进行了首创，填补了医护教学与VR技术相结合的空白，打通教学与实践操作的最后一站。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真系统结构框图；

图中：1、高光提示模块；2、造影模拟模块；3、手术器材抓取模块；4、导丝插入模块；5、冠脉造影影像显示模块；6、造影液推进模块；7、数值显示模块；8、语音提示模块；9、止血模块；10、显示模块；11、Oculus虚拟现实头戴显示器；12、Alice光学定位仪；13、wii手柄；14、惯性定位模块。

图2是本发明实施例提供的基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明是基于虚拟现实的U3D技术，通过UE4技术也可以实现本发明。

如图1所示，本发明实施例提供的基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真系统包括：所述基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真系统包括：高光提示模块1、造影模拟模块2、手术器材抓取模块3、导丝插入模块4、冠脉造影影像显示模块5、造影液推进模块6、数值显示模块7、语音提示模块8、止血模块9、显示模块10。

高光提示模块1，用于通过高光提示手术器具的使用顺序；

造影模拟模块2，用于通过造影机进行手术位置及造影效果的模拟，并进行病变处的变大操作；

手术器材抓取模块3，用于依次抓取手术所需的穿刺针、导丝、鞘管、造影导管、Y阀、四联三通管、造影注射器、硝酸甘油注射器、指引导丝、指引导管、快速交换球囊扩张导管、充盈压力泵、压力传感器以及支架，并依次放入到相应的手术位置；

导丝插入模块4，用于将导丝插入到穿刺针；

冠脉造影影像显示模块5，包括两个按钮，用于显示左冠脉造影和右冠脉造影，点击左冠脉造影会在造影机的屏幕上显示出导管进入左冠脉的影像，点击右冠脉造影，会显示右冠脉造影的影像；

造影液推进模块6，用于进行推造影液的操作；

数值显示模块7，用于通过压力泵上的UI面板显示出压力泵的压力数值和一个释放UI的按钮；抓起手柄放在压力泵上扣动扳机键，压力泵表盘上的指针会旋转，并且在UI面板上显示出当前的压力数值，加压到需要的压力值后，手柄放到释放压力的按钮上扣动扳机键会释放压力；

语音提示模块8，用于播放穿刺针的动画并进行心脏介入技术的介绍、造影导丝及作用的语音介绍、球囊及支架的语音介绍；并在手术结束时，会提示手术成功结束后的结束语；

止血模块9，用于通过止血阀进行术后止血；

显示模块10，用于通过Oculus虚拟现实头戴显示器显示手术器材所需要连接的位置。

本发明实施例提供的基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真系统还包括Oculus虚拟现实头戴显示器11、Alice光学定位仪12、wii手柄13以及惯性定位模块14。

如图2所示，本发明实施例提供的基于虚拟现实的冠状动脉造影及支架植入仿真方法包括以下步骤：

S101，通过高光提示模块利用高光提示手术器具的使用顺序。

S102，通过造影模拟模块利用造影机进行手术位置及造影效果的模拟，并进行病变处的变大操作。

S103，通过手术器材抓取模块依次抓取手术所需的穿刺针、导丝、鞘管、造影导管、Y阀、四联三通管、造影注射器、硝酸甘油注射器、指引导丝、指引导管、快速交换球囊扩张导管、充盈压力泵、压力传感器以及支架，并依次放入到相应的手术位置。

S104，通过导丝插入模块将导丝插入到穿刺针。

S105，通过冠脉造影影像显示模块显示左冠脉造影和右冠脉造影，点击左冠脉造影会在造影机的屏幕上显示出导管进入左冠脉的影像，点击右冠脉造影，会显示右冠脉造影的影像。

S106，通过造影液推进模块进行推造影液的操作；通过数值显示模块利用压力泵上的UI面板显示出压力泵的压力数值和一个释放UI的按钮。

S107，抓起手柄放在压力泵上扣动扳机键，压力泵表盘上的指针会旋转，并且在UI面板上显示出当前的压力数值，加压到需要的压力值后，手柄放到释放压力的按钮上扣动扳机键会释放压力。

S108，通过语音提示模块播放穿刺针的动画并进行心脏介入技术的介绍、造影导丝及作用的语音介绍、球囊及支架的语音介绍；并在手术结束时，会提示手术成功结束后的结束语。

S109，通过止血模块利用止血阀进行术后止血；通过显示模块利用Oculus虚拟现实头戴显示器显示手术器材所需要连接的位置。

下面结合术语解释对本发明作进一步描述。

虚拟现实：VR；冠状动脉造影：CAG；冠状动脉支架植入：PCI。

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

本系统主要解决冠脉介入培训者手术实操前的培训问题，具体包括冠脉造影术的各个手术流程的培训：1.穿刺点的选择及穿刺过程2.鞘管的置入及放置过程的培训3.造影培训4.病变位置程度的诊断培训5.病变治疗方案制定的培训6.穿刺处的处理。

本系统基于U3D技术平台。

1、所需硬件设备包括：

Oculus虚拟现实头戴显示器、Alice光学定位仪、wii手柄、惯性定位模块、控制器。

Oculus虚拟现实头戴显示器包括：Oculus CV1虚拟现实头戴显示器，HTC虚拟现实头戴显示器，Valve Index虚拟现实头戴显示器。

控制器采用Wii蓝牙控制器，wii手柄采用HTC控制手柄，Oculus Quest控制手柄，Velve Index控制手柄。

2、按键说明

方向键(控制C臂机的前后左右旋转)；

扳机键(与模型和UI进行交互)

A键(发射射线和在造影是暂停造影影像)。

3.使用操作

进入场景后会有心脏冠脉介入手术的导引介绍语音。使用户能够更快的了解手术的主要任务。

手术的流程中会有高光提示用户下一步需要用到哪一个手术器具，并且每一个手术器具都有它的名称，可以使用户更快的了解器具的使用及在手术中的作用。并且可以抓取模型近距离的观察模型的构造。

第1步，高亮提示用户抓起来穿刺针。抓起穿刺针后移动到需要穿刺的人物模型胳膊处松开，会播放穿刺针的动画并且会有第一步心脏介入技术介绍的语音提示。让用户更快的理解心脏冠脉介入手术第一步穿刺的流程以及它的重要性。

第2步，抓取导丝放入穿刺位置。这时是导丝插入到穿刺针操作。

第3步，抓取鞘管放入到穿刺位置。这时场景是放鞘管的操作。

第4步，抓取造影导管放入到手术位置，会有造影导丝的介绍及其作用的语音介绍。放入导管后，场景中会出现一个UI,UI上有两个按钮，显示左冠脉造影和右冠脉造影，点击左冠脉造影会在造影机的屏幕上显示出导管进入左冠脉的影像，点击右冠脉造影，会显示右冠脉造影的影像。

第5步，抓取Y阀放入到手术位置，在场景中会显示出Y阀的所需要连接到的位置。

第6步，抓取四联三通管放入到手术位置，在场景中会显示出四联三通管所需要连接到的位置。

第7步，抓取造影注射器放入到手术位置，在场景中会显示出造影注射器所需要连接的位置，并且是推造影液的操作，将手柄放到造影注射器上扣动扳机键会重复播放推造影液的操作，在造影机的显示器上也会重复显示出当前造影的影像。

第8步，抓取硝酸甘油注射器放入到手术位置，会在造影机上现实出造影效果，并且病变处会变大。

第9步，抓取指引导丝放入到手术位置，会在造影机上看到导丝进入到心脏操作。

第10步，抓取指引导管放入到手术位置，会在造影机上显示出导管会沿着导丝进入到心脏操作。

第11步，抓取快速交换球囊扩张导管放入到手术位置，这时会播放球囊及支架的语音介绍，在造影机上显示指引导丝已被抽出，球囊导管进入到心脏病变位置，会在造影机上看见球囊导管的两个黑点，这两个黑点就是球囊导管的球囊。

第12步，抓取充盈压力泵放入到手术位置，在场景中会显示出压力泵所需要连接到的位置，并且在压力泵上会显示出一个UI面板，上面显示出压力泵的压力数值和一个释放UI的按钮，抓起手柄放在压力泵上扣动扳机键，压力泵表盘上的指针会旋转，并且在UI面板上显示出当前的压力数值，加压到需要的压力值后，手柄放到释放压力的按钮上扣动扳机键会释放压力。当加压到16时会自动释放压力。加压完毕后再次造影，会在造影机上发现原来的病变窄小处已经被球囊扩大。

第13步，抓取压力传感器放入到手术位置，在场景中会显示出压力传感器所需要连接的位置。

第14步，抓取支架放入到手术位置。

第15步，抓取止血阀放入到手术位置。在场景中止血阀会防止人物模型的手腕手术位置以便术后止血，其余设备消失。并会提示手术成功结束后的结束语。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。