虚拟手术仿真系统的设计与实现
DSA仿真操作虚拟实验系统的设计与实现
1No.6 roll up No. 32 Issue, November, 20202020年11月第6卷第32期智慧健康Smart Healthcare基金项目：项目名称：安徽省2018年质量工程项目--DSA 操作诊断虚拟仿真实验教学项目，项目编号：2018xfsyxm04 6。
作者简介：周伟庆（1994-），男，本科。
通信作者*：赵巍，博士生在读。
智慧医疗_行业动态DOI:10.19335/ki.2096-1219.2020.32.001DSA 仿真操作虚拟实验系统的设计与实现周伟庆，赵巍*（皖南医学院弋矶山医院，安徽 芜湖 241000）摘 要：《影像设备学》是每一位影像、生物医学工程和影像技术专业的学生必修的一门课程，但由于影像设备占地面积大、设备价格昂贵等问题，目前大部分院校的实验室还达不到其实验要求，所以设计并实现了DSA 仿真操作虚拟实验系统软件。
系统可以部署在服务器上让医学工程相关专业和影像技术相关专业的学生利用手机或电脑就可以进入系统进行实验课程的学习。
通过理论联系实际，让影像专业的学生在进行系统操作的同时可查看图像来进行影像诊断的练习；让医工专业学生在懂得设备原理的情况下可以掌握其操作流程，以便更好的对设备进行维修；让影像技术专业学生可以提前对医院内相关型号设备进行操作练习；大大提高学习效率。
关键词：DSA；仿真操作；系统；设计；实现本文引用格式：周伟庆,赵巍.DSA 仿真操作虚拟实验系统的设计与实现[J].智慧健康,2020,6(32):1-3.Design and Realization of DSA Simulation Operation Virtual Experiment SystemZHOU Wei-qing, ZHAO Wei *(Yijishan Hospital of Wannan Medical College, Wuhu, Anhui 241000)ABSTRACT: ”Imaging Equipment” is a compulsory course for every student majoring in imaging, biomedical engineering and imaging technology. It has not reached its experimental requirements, So the software of DSA simulation operation virtual experiment system is designed and implemented. The system can be deployed on the server so that students majoring in medical engineering and imaging technology can use the mobile phone or computer to enter the system to study the experimental courses, Through the combination of theory and practice, the students of imaging major can view the image to practice image diagnosis while operating the system, medical engineering students can master the operation process when they understand the principle of the equipment, so as to better repair the equipment; and let the students of imaging technology can practice the operation of relevant types of equipment in the hospital in advance.KEY WORDS: DSA; Simulation operation; System; Design; Realization0 引言随着医学影像技术的不断发展和影像设备的更新换代，DSA 已普遍应用于心脏和血管系统以及全身各部位和脏器相关疾病的诊断检查，尤其对大血管和各系统血管及其病变的诊断检查等方面优于其他检查手段，因而被认为血管性疾病诊断的金标准[1,2]。
手术示教系统解决方案
手术示教系统解决方案一、概述手术示教系统是一种用于医学教育和培训的创新解决方案。
它利用虚拟现实技术和交互式模拟，为医学学生和从业人员提供逼真的手术操作环境，以提高他们的手术技能和决策能力。
本文将详细介绍手术示教系统的设计原理、功能特点以及实施步骤。
二、设计原理手术示教系统基于虚拟现实技术，采用三维建模、物理仿真和人机交互等技术手段，模拟真实手术场景，提供逼真的视觉和触觉反馈。
系统通过头戴式显示器、手柄和传感器等设备，将用户置身于虚拟手术环境中，使其能够亲身体验手术操作的各个环节。
三、功能特点1. 模拟多种手术场景：手术示教系统提供多种手术场景的模拟，包括心脏手术、脑部手术、骨科手术等。
用户可以根据自己的需求选择相应的手术场景进行操作和学习。
2. 实时反馈和评估：系统能够实时记录用户的手术操作过程，并提供准确的反馈和评估。
用户可以通过系统的提示和建议来改进手术技巧，提高手术成功率。
3. 多人协同操作：系统支持多人同时进行手术操作，实现真实的协同工作环境。
用户可以通过网络连接，与其他医学学生或从业人员进行交流和合作，共同完成手术任务。
4. 多种操作模式：系统提供多种操作模式，包括自由模式、训练模式和考核模式等。
用户可以根据自己的需求选择相应的模式进行操作和学习。
5. 数据统计和分析：系统能够对用户的手术操作数据进行统计和分析，并生成相应的报告。
用户可以通过报告了解自己的手术技能水平和进步情况，为进一步提高手术技能提供参考。
四、实施步骤1. 系统需求分析：根据医学教育和培训的需求，确定手术示教系统的功能和性能要求。
包括模拟手术场景、操作模式、数据统计和分析等方面。
2. 系统设计和开发：根据需求分析结果，进行系统的设计和开发。
包括虚拟手术场景的建模、物理仿真算法的开发、用户界面的设计等。
3. 设备配置和安装：根据系统设计要求，选择合适的设备，并进行配置和安装。
包括头戴式显示器、手柄、传感器等设备的选择和连接。
手术示教系统解决方案
手术示教系统解决方案一、背景介绍手术示教系统是一种基于虚拟现实技术的医疗教育工具，旨在提供高质量的手术培训和实践经验。
该系统通过摹拟真实手术场景，结合先进的图象处理和交互技术，为医学生和医生提供可视化的手术操作指导和实践训练。
本文将详细介绍手术示教系统的需求分析、设计方案、功能模块以及实施步骤。
二、需求分析1. 提供真正的手术场景：手术示教系统应能够摹拟真正的手术场景，包括手术器械、手术台、手术室等，以提供逼真的操作体验。
2. 支持多种手术类型：系统应支持多种手术类型，如心脏手术、脑部手术、骨科手术等，以满足不同医学专业的需求。
3. 提供详细的解剖学知识：系统应提供详细的解剖学知识，包括人体器官结构、血管分布等，以匡助医学生更好地理解手术操作的基础知识。
4. 实时反馈和评估：系统应能够实时反馈手术操作的准确性和效果，并提供评估报告，以匡助医学生和医生不断改进技术。
5. 可视化操作指导：系统应提供可视化的操作指导，包括手术步骤、操作顺序、器械使用方法等，以匡助医学生和医生正确进行手术操作。
6. 多人协作和远程教学：系统应支持多人协作和远程教学，医学生和医生可以通过系统进行互动交流和共同学习。
三、设计方案1. 技术架构：手术示教系统采用客户端-服务器架构，客户端提供用户界面和交互功能，服务器负责处理数据和逻辑。
2. 虚拟现实技术：系统利用虚拟现实技术实现手术场景的摹拟，包括三维建模、渲染、交互等，以提供逼真的操作体验。
3. 图象处理技术：系统利用图象处理技术对手术场景进行处理和优化，以提高图象质量和操作效果。
4. 数据库管理：系统采用数据库管理技术存储和管理手术相关的数据，包括手术记录、解剖学知识、操作指导等。
5. 远程教学功能：系统提供远程教学功能，医学生和医生可以通过系统进行远程交流和共同学习，提高教学效果。
四、功能模块1. 用户管理：包括用户注册、登录、权限管理等功能，以确保系统安全和数据隐私。
【大学】基于VR的虚拟手术仿真
通过三维图形生成技术、多传感器交 互技术以及高分辨率显示技术等，创 造出逼真的三维虚拟环境，使用户仿 佛置身于真实世界中。
VR在医疗领域的应用
01
02
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手术模拟训练
利用VR技术模拟手术场景 ，供医生进行手术技能训 练，提高手术操作熟练度 和准确度。
医学影像分析
通过VR技术将医学影像（ 如CT、MRI）进行三维重 建，帮助医生更直观地观 察和分析病情。
交互界面布局
设计简洁直观的交互界面，方便用户进行操作和 控制。
实时渲染和图像处理技术
高精度渲染
利用GPU加速技术，实现高精度、高帧率的实时渲染。
图像处理
对渲染图像进行色彩校正、对比度增强等处理，提高图像质量。
动态视点调整
根据用户操作和场景变化，动态调整视点位置和角度，提供更真实 的视觉体验。
03
虚拟手术仿真的应用场景和优势
手术前的模拟训练
模拟手术环境
通过VR技术，为医生提供高度仿 真的手术环境，让他们在真实手 术之前进行模拟训练，提高手术 操作熟练度。
降低手术风险
通过模拟训练，医生可以熟悉手 术流程，减少手术中可能出现的 错误，从而降低手术风险。
克服手术器械限制
虚拟手术仿真不受真实手术器械 的限制，医生可以在模拟环境中 尝试不同的手术技巧和器械使用 方法。
总结词
高度仿真、实时交互
详细描述
心血管外科的手术操作要求极高，虚拟手术仿真系统能够提供高度仿真的心脏和血管模型，医生可以在虚拟环境 中进行实时交互操作。
虚拟手术仿真在心血管外科的应用
总结词
评估手术方案、预测手术效果
详细描述
通过模拟手术过程，心血管外科医生可以评估不同手术方案的可行性和效果，为实际手 术提供科学依据。
基于虚拟现实技术的医学模拟手术系统设计与实现
基于虚拟现实技术的医学模拟手术系统设计与实现虚拟现实(VR)技术是一种通过计算机生成的仿真环境，可以提供沉浸感和互动性，使用户能够与虚拟世界进行实时交互。
医学模拟手术系统利用虚拟现实技术，为医学教育和实战训练提供了全新的途径。
本文将介绍基于虚拟现实技术的医学模拟手术系统的设计与实现。
一、系统设计1. 系统架构设计基于虚拟现实技术的医学模拟手术系统的系统架构包括前端、后端和交互介质，其中前端是虚拟现实设备，后端是服务器端，交互介质包括手柄、触控屏等。
2. 虚拟场景建模虚拟场景作为医学模拟手术系统的基础，需要建立医学手术室、手术器械、患者体内器官等虚拟模型。
通过三维建模技术和医学数据，忠实地再现手术环境和解剖结构。
此外，还需要考虑模拟手术中可能发生的各种意外情况，以提高医生的应对能力。
3. 虚拟手术器械设计虚拟手术器械是医学模拟手术系统的核心组成部分，需要设计具有真实手感的手术器械模型，并在虚拟场景中实现准确的物理交互。
通过虚拟手术器械的使用，医生可以通过控制手柄或触控屏来进行模拟手术操作，如切割、缝合等。
4. 用户交互设计医学模拟手术系统需要提供直观友好的用户界面和操作方式。
通过虚拟现实设备的头部追踪和手柄或触控屏的手势识别，医生可以在虚拟环境中自由移动和进行各种操作。
此外，系统还应提供与导师交互的功能，以便进行实时指导和反馈。
二、系统实现1. 软件开发医学模拟手术系统的软件开发需要使用虚拟现实开发工具，如Unity3D、Unreal Engine等。
利用这些工具，可以进行虚拟场景建模、手术器械设计、用户交互设计等。
2. 数据处理与模拟医学模拟手术系统需要使用医学图像数据进行虚拟场景建模，并利用解剖学和生理学知识对患者体内器官的行为进行模拟。
通过对患者体内器官的物理特性和手术器械的物理效果进行建模和仿真，使得医学模拟手术系统更加真实可信。
3. 虚拟现实设备配置医学模拟手术系统需要配备虚拟现实设备，如头戴式显示器、手柄、触控屏等。
手术示教系统解决方案
手术示教系统解决方案一、引言手术示教系统是一种基于先进技术的教育工具，旨在提供高质量的手术培训和教学体验。
本文将详细介绍手术示教系统的解决方案，包括系统的设计原理、功能特点、技术要求和实施步骤等。
二、设计原理手术示教系统采用虚拟现实（VR）技术和摹拟仿真技术相结合的设计原理。
通过建立真正的手术环境模型和手术操作模型，使学员能够在虚拟场景中进行真正的手术操作和实践，从而提高手术技能和操作水平。
三、功能特点1. 虚拟手术环境：手术示教系统提供多种手术场景的虚拟环境，包括心脏手术、脑部手术、骨科手术等，学员可以选择不同的手术场景进行训练。
2. 实时互动：学员可以通过手柄、头盔等设备与系统进行实时互动，感受手术操作的真实性和紧张感，并获得实时反馈和指导。
3. 操作摹拟：手术示教系统提供真正的手术器械和操作模型，学员可以进行手术操作的摹拟练习，熟悉手术步骤和技巧。
4. 多维度观察：学员可以通过不同视角的观察，包括内窥镜视角、X光视角等，全面了解手术过程和解剖结构，提高手术操作的准确性和安全性。
5. 记录与评估：系统可以记录学员的手术操作过程和结果，并进行评估和反馈，匡助学员发现不足和改进。
四、技术要求1. 虚拟现实技术：系统需要具备先进的虚拟现实技术，包括头盔、手柄、定位传感器等设备，以提供沉浸式的手术体验。
2. 摹拟仿真技术：系统需要具备高度逼真的手术模型和物理引擎，以实现真正的手术操作和反馈。
3. 数据处理能力：系统需要具备强大的数据处理能力，包括实时数据采集、处理和分析，以支持学员的实时互动和评估。
4. 网络通信能力：系统需要具备良好的网络通信能力，以支持多用户同时访问和互动，实现远程教学和协同操作。
5. 用户界面设计：系统需要具备友好的用户界面设计，简洁明了、操作便捷，以提供良好的用户体验。
五、实施步骤1. 系统需求分析：根据实际需求，确定系统的功能模块和技术要求，并进行系统需求分析和规划。
2. 系统设计与开辟：根据需求分析结果，进行系统的总体设计和详细设计，并进行系统开辟和测试。
医学影像虚拟仿真系统的设计与实现
医学影像虚拟仿真系统的设计与实现医学影像虚拟仿真系统是一种基于计算机技术的模拟医学影像的系统，可以帮助医学生、医生和医学研究人员在虚拟环境中进行实践操作和学习，提高医学教育和研究的效果和质量。
本文将介绍医学影像虚拟仿真系统的设计与实现。
一、系统设计1.需求分析：根据用户的需求和系统的目标，确定系统的功能和特性。
例如，医学影像虚拟仿真系统可以提供CT、MRI等常用的医学影像数据，支持影像的三维重建和可视化，可以在虚拟环境中进行手术模拟和医学操作等。
2.系统架构：设计系统的整体架构，包括前端界面设计、后端数据处理和存储、模型构建和仿真等。
例如，前端可以使用图形用户界面(GUI)来展示医学影像和模拟结果，后端可以使用数据库来管理和存储影像数据和模型。
3.算法设计：设计医学影像处理和模型构建的算法。
例如，可以使用图像处理算法对医学影像进行分割、重建和特征提取，可以使用有限元方法或形态学仿真等算法对医学模型进行构建和仿真。
4.系统实现：根据系统设计进行具体的实现。
例如，可以使用编程语言如Python或C++来实现系统的前后端逻辑和算法，可以使用图形库如OpenGL或Unity来实现实时渲染和交互功能。
二、系统实现1.数据处理和存储：对医学影像数据进行预处理和存储。
例如，可以使用图像处理库如OpenCV来对医学影像进行去噪、纠偏和增强处理，可以使用数据库如MySQL或MongoDB来管理和存储影像数据。
2.模型构建和仿真：根据医学影像数据进行模型构建和仿真。
例如，可以使用CAD软件如SolidWorks或Blender来构建医学模型的几何结构，可以使用有限元软件如Abaqus或ANSYS来进行力学仿真和模拟手术。
3.模拟环境和交互设计：设计医学影像虚拟仿真系统的模拟环境和交互界面。
例如，可以使用虚拟现实(VR)或增强现实(AR)技术来创建沉浸式的模拟环境，可以使用手柄、触摸屏等设备实现用户与系统的交互。
4.性能优化和测试：对系统进行性能优化和测试。
基于VR技术的3D手术操作练习模拟器的设计与开发
基于VR技术的3D手术操作练习模拟器的设计与开发随着科技的不断发展，虚拟现实（VR）技术在医疗领域的应用越来越广泛。
其中之一的应用就是基于VR技术的3D手术操作练习模拟器。
这种模拟器可以帮助医生和医学生通过虚拟现实环境来进行手术操作的练习，提高其技术水平和操作能力。
设计和开发这样一个模拟器需要一个虚拟现实设备，如头戴式显示器（Head-Mounted Display）和手柄控制器。
通过头戴式显示器，用户能够沉浸在虚拟现实环境中，感受到真实的手术操作场景。
手柄控制器可以用来模拟手术工具的使用，如手术刀、镊子等。
通过这些设备，用户可以在虚拟现实环境中进行手术操作的练习。
开发这样一个模拟器需要进行手术场景的建模和实时渲染。
手术场景的建模需要根据真实的手术室进行设计，并模拟手术仪器的使用和手术过程的步骤。
实时渲染技术可以使虚拟现实环境更加真实和流畅，提高用户的沉浸感。
在模拟器的开发过程中，还可以加入一些辅助功能和反馈机制，以提高用户的训练效果。
可以添加一个实时的指导系统，为用户提供手术操作的正确步骤和技巧。
还可以添加一个实时的反馈系统，及时告知用户手术操作的准确度和错误之处，帮助用户及时纠正错误。
为了使这个模拟器更加实用和逼真，可以将真实的医学数据集集成到模拟器中。
可以将真实的手术视频和图像集成到虚拟现实环境中，使用户在操作过程中能够观察真实的手术情况和操作技巧。
还可以将真实的病例数据集成到模拟器中，使用户能够在不同的病例中进行手术操作的练习，提高其在实际手术中的应对能力。
基于VR技术的3D手术操作练习模拟器的设计与开发是一个复杂而有挑战的任务。
通过合理的设备选择、场景建模和反馈机制的设计，以及医学数据的集成，可以使模拟器更加实用和逼真，发挥其在医学教育和培训中的重要作用。
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万方数据
ABSTRACT
bounding box method, the virtual force feedback technology based on PHANToM and the implement of behavior engine based on FSM and XML. In the end of this thesis, we we test the system and analyze the test result. Keywords: Virtual Surgery, MFC, Behavior Engine, Collision Detection, Virtual Force Feedback
关键词：手术仿真，MFC，行为引擎，碰撞检测，虚拟力反馈
I
万方数据
ABSTRACT
ABSTRACT
Virtual surgery is a developing research trend which inosculated virtual reality technology and modern medicine. Virtual surgery researching consists computer technology, computer graphics，medicine，biomechanics， computer vision，image processing, artificial intelligence and so on. Virtual surgery system provides a virtual surgery environment for surgeons who can make operations in the environment. Users can get graphical or haptical feedback when they make operations, and would get the experience of surgery. Virtual surgery has provided a new method for surgery training. The traditional training always uses artificial models, bodies and animals. However, the artificial modes can't express the complexity of organs. Bodies are very expensive, difficultly available for dissection and just can use once. What’s more, it is inaccurate, expensive and may introduce ethical questions to use animals.
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF VIRTUAL SURGERY SIMULATION SYSTEM
A Master Thesis Submitted to University of Electronic Science and Technology of China
Major:
虚拟手术系统会给使用者提供多通道的反馈，使用者可以获得逼真体验。对 于使用者来说，虚拟手术系统可完成的不只是训练功能，还可根据实际环境的数 据对手术参数进行设定，在模拟环境中进行手术试验，风险预测，流程设计，手 术流程优化等。但是，许多虚拟手术系统的研发往往局限于特定的手术场景和操 作方式，缺乏整体性的规划分析，系统的通用性和扩展能力较弱，不能满足医院 多种类型的手术需求，重复开发问题严重。
（姓名、职称、单位名称）
申请学位级别 硕士 专业学位类别 工 程 硕 士
工程领域名称
软件工程
提交论文日期 2014.09.25 论文答辩日期 2014.11.21
学位授予单位和日期 电子科技大学 2014 年 12 月 25 日
答辩委员会主席
评阅人
注 1：注明《国际十进分类法 UDC》的类号。
万方数据
Master of Engineering
Author:
Zhang Xiaoqin
Advisor:
Wang Yong
School : School of Information and Software Engineering
万方数据
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。
III 万方数据
目录
目录
第一章 绪论 .................................................................................................................... 1 1.1 研究背景 ............................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................ 2 1.3 研究目标 ............................................................................................................ 5 1.4 主要工作 ............................................................................................................ 5 1.5 本论文的章节安排 ............................................................................................ 6
Virtual surgery can solve these problems. It can lead the operators well to the nature of surgery and help trainees to gain experience in surgery. New surgeons can practise operations and rehearse surgery in the system. However, most virtual surgery systems are limited to a specific operation scene and operation mode. Lack of comprehensive planning, the system versabtility and extension ability is weak, which can not meet the demand of various types of hospital operation.
本文设计和实现了一款具备通用性的虚拟手术系统，首先通过实际的工作调 研和同类软件的功能分析，我们从功能和性能两个方面定义了系统的需求，给出 了系统工作的基本流程。在系统设计和实现部分，我们分析了虚拟手术系统的物 理架构，内部逻辑结构和功能架构，具体的，系统采用 C/S 结构，在 MFC 框架下 进行开发；系统的核心功能包括：模型管理、场景管理、行为引擎、场景渲染和 交互界面 5 大部分，他们分别为虚拟手术的运行提供了底层数据、运算逻辑、协 调和记录以及用户交互；接下来，论文详细阐述了基于 Vega Prime 的生物器官建 模，基于层次包围盒方法的碰撞检测技术，基于 PHANToM 的虚拟力反馈技术和 基于 FSM 和 XML 的行为引擎的设计和实现。在论文最后，我们对系统进行了整 体测试并对测试结果进行了分析。
（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）
作者签名：
导师签名： 日期： 年 月 日
万方数据
摘要
摘要
虚拟手术是将计算机图形学、虚拟现实、仿真技术、人机交互、现代医学等 多个学科融合在一起的新学科。虚拟仿真手术用到多个领域的知识，并将这些技 术融合在一起，根据实际手术操作和手术环境，利用虚拟现实技术进行模拟，提 供一个虚拟的手术环境。医生可以通过仿真手术系统做实验，对手术流程更加熟 悉。学生可以通过仿真手术系统进行训练，降低了训练成本，因为传统的训练方 式一般是使用人造模型、尸体、动物模拟等，训练成本高，且资源稀少。
In this background, this thesis focuses on the research of the design and implement of the virtual surgery simulation system which is universal for various operations in modern hospital business. Firstly, in the step of requirement analysis, based on virtual surgery theory and the pratical application background of hospitals, we give the definition of system scope, including funcation requirement and performance requirement. Besides, we also analyze the business process of virtual surgery. In the design and implement stage, we give the system structure, including physics structure, logic structure and function structure. In detail, the system adopts C/S architecture and is developed in MFC environment. The system is composed by 5 kernerl compontments: model management, scene management, behavior engine, scene rending and interative interface. These compontments respectively provide basic organic model data, sence logic, coordinate control and user interaction. In the following, we detailly introduce the organic model method based on Vega Prime, collision detection technology based on