基于数字孪生技术的白内障手术模拟教学模型构建方法

摘要

本发明公开了一种基于数字孪生技术的白内障手术模拟教学模型构建方法。本发明具备以下有益效果：(1)基于数字孪生技术创建3D眼球模型，该3D眼球模型能够进行眼球结构和疾病知识的动态展示，加深住院医生对白内障基本知识和诊疗过程的理解；(2)利用VR和力反馈装置创建无需实体显微操作设备的白内障手术模拟教学模型，通过手术操作的虚拟空间移植，使得住院医生可以真实感受手术器械作用于3D眼球模型的效果，白内障手术模拟具有高度真实性，实现住院医生真实体验白内障手术操作过程；(3)建立白内障手术模拟训练反馈和评分系统，通过训练过程的实时监控和反馈，引导住院医生在反复训练过程中掌握操作要领并形成良好的手术操作规范。

说明书

技术领域

本发明涉及白内障手术模拟教学技术领域，具体为一种基于数字孪生技术的白内障手术模拟教学模型构建方法。

背景技术

随着医疗技术和设备的进步，白内障手术已经发展为微创的超声乳化手术，具备视力恢复迅速、手术效果良好且并发症少的优点，是最具成本效益的治疗方法之一，也是眼科最常用的显微手术之一。根据我国住院医师规范化培训内容与标准，眼科住院医师规范化培训需要理解和掌握白内障手术操作过程。

然而，在实际临床环境中想要达到理想的规范化培训效果是极其困难的。首先，眼球是非常精密的视觉器官，白内障手术对术者的精细显微操作要求颇高，操作稍有偏差可能会给病人带来不可挽回的视功能损伤；其次，目前白内障手术已从治盲走向屈光时代，患者对手术效果要求高，导致眼科住院医生临床实践机会少、显微手术技能训练不足，极大延长了眼科白内障手术人才培养的周期。因此，如何开发安全便捷的白内障手术模拟教学工具成为目前眼科住院医生显微手术教学亟需解决的难题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于数字孪生技术的白内障手术模拟教学模型构建方法，能够解决上述技术问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于数字孪生技术的白内障手术模拟教学模型构建方法，包括以下步骤：

S1：基于数字孪生技术构建3D眼球模型；

S2：利用VR和力反馈装置在虚拟空间内对3D眼球模型的眼球组织进行白内障手术；

S3：采集白内障手术时眼球组织的形态变化数据以及白内障手术时的力学参数；

S4：将眼球组织的形态变化数据以及力学参数同步到3D眼球模型，以建立白内障手术模拟教学模型。

优选的，步骤S1具体包括以下子步骤：

S11：获取构建3D眼球模型所需的数据；

S12：对数据进行标识与清洗；

S13：利用数据以及数字建模软件构建3D眼球模型的静态模型；

S14：基于数据匹配方法由静态模型自动生成3D眼球模型的动态仿真模型。

优选的，在子步骤S14之后还包括子步骤S15：在视觉设备上呈现3D眼球模型的眼球解剖解构、眼球组织生理病理特性以及白内障疾病发病机理。

优选的，步骤S2具体包括以下子步骤：

S21：使用三角划分的方法对眼球组织进行建模，以将眼球组织细分成多个三角形；

S22：利用VR、力反馈装置以及手术器械在虚拟空间内对眼球组织进行白内障手术；

S23：检测出手术器械与眼球组织接触的位置和作用程度；

S24：在每个三角形上模拟出手术器械作用于眼球组织表面的法向力。

优选的，步骤S3具体为：通过手术录像设备采集白内障手术时眼球组织的形态变化数据，同时通过力反馈装置采集白内障手术时的力学参数。

优选的，在步骤S4之后还包括步骤S5：进行白内障手术模拟训练反馈及评分。

优选的，步骤S5具体包括以下子步骤：

S51：学生使用模拟手术教学套装，在3D眼球模型上进行白内障手术操作，其中模拟手术教学套装包括VR、力反馈装置以及手术器械；

S52：实时采集学生在白内障手术过程中手术器械作用于眼球组织的位置、力学参数，以及采集学生在白内障手术过程中眼球组织的形态变化数据，生成学生手术模型；

S53：将学生手术模型与老师手术模型进行比对。

优选的，子步骤S53具体为：将学生手术模型与老师手术模型进行比对，以及通过专家点评，以对学生的手术训练进行评分。

优选的，步骤S5还包括子步骤S54：进行综合评估，生成手术优化方案，以进一步指导学生进行手术。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种基于数字孪生技术的白内障手术模拟教学模型构建方法，具备以下有益效果：(1)基于数字孪生技术创建3D眼球模型，该3D眼球模型能够进行眼球结构和疾病知识的动态展示，加深住院医生对白内障基本知识和诊疗过程的理解；(2)利用VR和力反馈装置创建无需实体显微操作设备的白内障手术模拟教学模型，通过手术操作的虚拟空间移植，使得住院医生可以真实感受手术器械作用于3D眼球模型的效果，白内障手术模拟具有高度真实性，实现住院医生真实体验白内障手术操作过程；(3)建立白内障手术模拟训练反馈和评分系统，通过训练过程的实时监控和反馈，引导住院医生在反复训练过程中掌握操作要领并形成良好的手术操作规范。通过上述方式，本发明能为锻炼和提高眼科住院医生的白内障显微手术技能提供安全便捷、高真实性、交互式的学习平台。

附图说明

图1为本发明一种基于数字孪生技术的白内障手术模拟教学模型构建方法的步骤流程图；

图2为本发明的步骤S1的步骤流程图；

图3为本发明的步骤S2-S4的步骤流程图；

图4为本发明的步骤S5的步骤流程图。

具体实施方式

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。

本发明提供一种基于数字孪生技术的白内障手术模拟教学模型构建方法，包括以下步骤：

S1：基于数字孪生技术构建3D眼球模型。

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生技术的高速发展使得手术模拟训练工具的开发成为可能。数字孪生技术通过应用数字建模、物联网、信息感知、人工智能(AI)、云计算等技术，可以构建各种动态仿真模型，可用于教学、设备研发、疾病诊疗、疾病演变和机制研究等领域。

具体的，该步骤S1具体包括以下子步骤：

S11：获取构建3D眼球模型所需的数据。具体的，通过眼科检查设备和医疗信息化系统(HIS、EMR、LIS、PACS系统等)采集眼球基本结构和生理功能、白内障发生发展以及诊疗过程的真实世界数据。

S12：对数据进行标识与清洗。通过对所获取的数据进行标识与清洗，使得数据的类型及属性符合搭建3D眼球模型的需求。

S13：利用数据以及数字建模软件构建3D眼球模型的静态模型。该子步骤S13通过使用所获取并处理后的结构化数据，结合眼科学、材料力学、光学等理论，使用各类3D模型建模工具，构建各类初始3D眼球模型即静态模型。

S14：基于数据匹配方法由静态模型自动生成3D眼球模型的动态仿真模型。该子步骤S14基于数据匹配方法由静态模型自动生成动态仿真模型，并通过实时数据反馈持续优化，最终使得3D眼球模型的解剖解构及生理病理特点无限接近真实的眼球。

例如，首先，勾勒眼球整体轮廓，通过程序定位整体及局部组织空间参数，先进行眼球整体模型的搭建，再进行角膜、虹膜、睫状肌、晶体、玻璃体、巩膜、虹膜、视网膜等重要组织的搭建。然后，按照眼球生理运动参数特点应用程序，实现眼球及其组织的生理变化。例如我们通过调节虹膜内径及厚度、睫状肌长度及厚度和晶体直径及厚度的变化来控制瞳孔缩放；而瞳孔颜色控制是通过原始模型纹理乘以定义好的颜色属性来实现的。

此外，在上述子步骤S14之后还包括子步骤S15：在视觉设备上呈现3D眼球模型的眼球解剖解构、眼球组织生理病理特性以及白内障疾病发病机理。具体可在PC端、VR或移动终端等视觉设备上，全视角多维度呈现眼球解剖解构，动态呈现眼球组织生理病理特性及白内障等疾病发病机理。

S2：利用VR和力反馈装置在虚拟空间内对3D眼球模型的眼球组织进行白内障手术。

VR(Virtual Reality，虚拟现实)，为虚拟和现实相互结合，其可以创建和体验虚拟世界。力反馈装置为触觉感知的刺激器，本发明的力反馈装置具体可采用力反馈手套。白内障手术操作具体可包括超声乳化和人工晶体植入等。

具体的，该步骤S2具体包括以下子步骤：

S21：使用三角划分的方法对眼球组织进行建模，以将眼球组织细分成多个三角形。

S22：利用VR、力反馈装置以及手术器械在虚拟空间内对眼球组织进行白内障手术。

S23：检测出手术器械与眼球组织接触的位置(对应三角形区域)和作用程度(深度)。

S24：在每个三角形上模拟出手术器械作用于眼球组织表面的法向力。

S3：采集白内障手术时眼球组织的形态变化数据以及白内障手术时的力学参数。

优选的，该步骤S3具体为：通过手术录像设备采集白内障手术时眼球组织的形态变化数据，同时通过力反馈装置采集白内障手术时的力学参数。力学参数具体可包括白内障手术过程中手指作用于手术器械以及手术器械作用于眼球组织表面的压力和摩擦力等。

S4：将眼球组织的形态变化数据以及力学参数同步到3D眼球模型，以建立白内障手术模拟教学模型。

优选的，在步骤S4之后还包括步骤S5：进行白内障手术模拟训练反馈及评分。

进一步的，上述步骤S5具体包括以下子步骤：

S51：学生使用模拟手术教学套装，在3D眼球模型上进行白内障手术操作，其中模拟手术教学套装包括VR、力反馈装置以及手术器械。学生使用模拟手术教学套装，在3D眼球模型上进行手术操作，此过程学生可以真实感受虚拟手术器械作用于3D眼球模型上的触感及受力度，可以实时看到眼球组织形态的变化。

S52：实时采集学生在白内障手术过程中手术器械作用于眼球组织的位置、力学参数，以及采集学生在白内障手术过程中眼球组织的形态变化数据，生成学生手术模型。

S53：将学生手术模型与老师手术模型进行比对。应理解，老师手术模型为老师通过使用模拟手术教学套装在3D眼球模型上进行白内障手术操作所相应生成的手术模型。

优选的，该子步骤S53具体为：将学生手术模型与老师手术模型进行比对，以及通过专家点评，以对学生的手术训练进行评分。即通过专家点评和学生—老师模型比对，双机制对学生手术关键环节进行评分。

此外，步骤S5还包括子步骤S54：进行综合评估，生成手术优化方案，以进一步指导学生进行手术。具体可根据白内障手术操作技术规范、学生手术过程的操作熟练程度和手术操作中出现失误的情况等进行综合评估，相应生成生成手术优化方案。

与现有技术相比，本发明提供了一种基于数字孪生技术的白内障手术模拟教学模型构建方法，具备以下有益效果：(1)基于数字孪生技术创建3D眼球模型，该3D眼球模型能够进行眼球结构和疾病知识的动态展示，加深住院医生对白内障基本知识和诊疗过程的理解；(2)利用VR和力反馈装置创建无需实体显微操作设备的白内障手术模拟教学模型，通过手术操作的虚拟空间移植，使得住院医生可以真实感受手术器械作用于3D眼球模型的效果，白内障手术模拟具有高度真实性，实现住院医生真实体验白内障手术操作过程；(3)建立白内障手术模拟训练反馈和评分系统，通过训练过程的实时监控和反馈，引导住院医生在反复训练过程中掌握操作要领并形成良好的手术操作规范。通过上述方式，本发明能为锻炼和提高眼科住院医生的白内障显微手术技能提供安全便捷、高真实性、交互式的学习平台。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。