基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)鉗操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)

李力，唐昊霞

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基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的產(chǎn)鉗操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)

李力，唐昊霞

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208）

針對(duì)當(dāng)前產(chǎn)鉗助產(chǎn)培訓(xùn)手段落后、效率低下的問(wèn)題，提出了一種產(chǎn)婦分娩過(guò)程中產(chǎn)鉗使用技術(shù)的培訓(xùn)、評(píng)估手段及其模擬系統(tǒng)。此系統(tǒng)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合了產(chǎn)科技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，是一套兼具高科技和高成效的產(chǎn)鉗模擬操作系統(tǒng)及評(píng)價(jià)方法。

產(chǎn)鉗；助產(chǎn)；模擬訓(xùn)練；虛擬現(xiàn)實(shí)

現(xiàn)階段，醫(yī)科院校及醫(yī)院在訓(xùn)練產(chǎn)科醫(yī)生的產(chǎn)鉗操作技術(shù)時(shí)主要利用產(chǎn)婦盆腔模型，而這種傳統(tǒng)的訓(xùn)練方式，在評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和反饋途徑上不夠精確，在教學(xué)和培訓(xùn)效果上也是不盡人意的。因此，產(chǎn)科學(xué)界急需一種能提高產(chǎn)科醫(yī)生產(chǎn)鉗術(shù)的培訓(xùn)手段。本文提出的產(chǎn)婦分娩過(guò)程中產(chǎn)鉗使用技術(shù)的培訓(xùn)、評(píng)估手段及其模擬系統(tǒng)，將現(xiàn)代高度發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)鉗術(shù)的培訓(xùn)中，改變了傳統(tǒng)的、低效的產(chǎn)鉗術(shù)培訓(xùn)方式。

1 系統(tǒng)硬件組成

在臨床應(yīng)用中，使用產(chǎn)鉗助產(chǎn)時(shí)需要將產(chǎn)鉗置入產(chǎn)婦體內(nèi)，因此，助產(chǎn)者只能通過(guò)積累的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)產(chǎn)鉗所到達(dá)的嬰兒頭部的位置，也難以恰如其分掌握產(chǎn)鉗牽引力道。為解決產(chǎn)鉗操作培訓(xùn)中遇到的上述問(wèn)題，本文提出一種產(chǎn)婦分娩過(guò)程中產(chǎn)鉗使用技術(shù)的培訓(xùn)、評(píng)估手段及其模擬系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用基于計(jì)算機(jī)的三維可視化技術(shù)，可以在顯示設(shè)備上從多個(gè)角度指示和觀察產(chǎn)鉗在產(chǎn)婦體內(nèi)的實(shí)時(shí)姿態(tài)和位置，操作者通過(guò)畫面反饋從而對(duì)鉗葉的位置和力度進(jìn)行修正，通過(guò)產(chǎn)鉗給胎頭施加一個(gè)與產(chǎn)婦產(chǎn)力同頻同步的牽引力來(lái)達(dá)到助產(chǎn)的目的。本系統(tǒng)由高性能計(jì)算機(jī)及顯示器、產(chǎn)婦骨盆模型及嬰兒模型、數(shù)據(jù)采集傳感器、產(chǎn)鉗以及胎頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)5大部分組成，系統(tǒng)組成框架如圖1所示。

本系統(tǒng)中，在產(chǎn)鉗的鉗葉片前段安裝了壓力傳感器，用于檢測(cè)助產(chǎn)時(shí)產(chǎn)鉗對(duì)胎頭施加的壓力以及產(chǎn)鉗的位姿；在產(chǎn)鉗的鉗葉片把手端安裝了三維空間跟蹤器探頭，用于檢測(cè)產(chǎn)鉗葉片的空間位置及產(chǎn)鉗姿態(tài)。如圖2所示，壓力傳感器21設(shè)置于產(chǎn)鉗葉前段內(nèi)側(cè)處，三維空間跟蹤器探頭22位于鉗葉把手端。嬰兒系統(tǒng)機(jī)械連接結(jié)構(gòu)如圖3所示。31為胎頭，由醫(yī)學(xué)模型組成；32為胎頭位姿檢測(cè)探頭，它為三維空間跟蹤定位器的一部分，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)胎頭的位姿數(shù)據(jù)；33為拉力傳感器，用于檢測(cè)在助產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)鉗施加在胎頭上的牽引力；多自由度機(jī)械關(guān)節(jié)34支撐胎頭與驅(qū)動(dòng)軸的連接，使得胎頭模型在移動(dòng)過(guò)程中能以關(guān)節(jié)中心點(diǎn)為原點(diǎn)進(jìn)行任意方向的活動(dòng)；柔性管35套接在前述多自由度機(jī)械關(guān)節(jié)上，起支承胎頭作用；36為傳動(dòng)桿，傳遞動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)力；37為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，可為電機(jī)或者氣動(dòng)液動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 產(chǎn)鉗傳感器布局示意圖

產(chǎn)婦系統(tǒng)與胎兒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局如圖4所示。41為產(chǎn)婦盆腔模型，是產(chǎn)婦系統(tǒng)的基礎(chǔ)，采用醫(yī)學(xué)助產(chǎn)模型；柔性橡膠氣囊42設(shè)置在產(chǎn)婦盆腔及產(chǎn)道兩側(cè)，用于模擬產(chǎn)婦的盆腔及產(chǎn)道肌肉。

圖3 嬰兒系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)圖

圖4 產(chǎn)婦系統(tǒng)與胎兒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局圖

本系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)如圖5所示。高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制以及人機(jī)交互，是整個(gè)模擬器系統(tǒng)的核心。三維空間跟蹤定位器由機(jī)盒以及傳感探頭組成，傳感探頭把收集到的產(chǎn)鉗和胎頭位姿信號(hào)傳送至主機(jī)盒，再由主機(jī)盒將信號(hào)處理后通過(guò)串口發(fā)送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。下位機(jī)控制器為單片機(jī)系統(tǒng)，可直接通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接，用于處理和傳送產(chǎn)鉗夾緊力及牽引力的傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)負(fù)責(zé)執(zhí)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)指令。

圖5 系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件組成

軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、圖形驅(qū)動(dòng)模塊、產(chǎn)婦骨盆及嬰兒3D模型、數(shù)據(jù)信息顯示模塊、產(chǎn)鉗操作技能訓(xùn)練模塊、產(chǎn)鉗操作技能考核模塊、胎頭驅(qū)動(dòng)控制模塊組成。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)工作原理

如上所述，本系統(tǒng)主要具有產(chǎn)鉗鉗葉放置技能的訓(xùn)練及評(píng)估和產(chǎn)鉗助產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)鉗操作技能的訓(xùn)練及評(píng)估兩項(xiàng)功能。產(chǎn)鉗鉗葉放置技能訓(xùn)練及評(píng)估的工作原理：操作者將產(chǎn)鉗拆分為左右兩葉并將其充分潤(rùn)滑，然后根據(jù)產(chǎn)鉗助產(chǎn)臨床操作流程分別將左葉產(chǎn)鉗和右葉產(chǎn)鉗經(jīng)產(chǎn)婦產(chǎn)道放置于抬頭左右兩側(cè)并鎖合鎖扣。在此操作過(guò)程中，安裝在鉗葉上的三維空間跟蹤定位器探頭檢測(cè)到鉗葉的空間位置和姿態(tài)的變化，該數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)經(jīng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊傳送至虛擬3D圖形驅(qū)動(dòng)模塊，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的圖形引擎根據(jù)該數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)虛擬場(chǎng)景中的3D鉗葉模型進(jìn)行位置和姿態(tài)的刷新，從而使虛擬場(chǎng)景中的產(chǎn)鉗模型與操作者操作的真實(shí)產(chǎn)鉗進(jìn)行同步動(dòng)作。在計(jì)算機(jī)的顯示端，采用基于虛擬現(xiàn)實(shí)的多視窗顯示技術(shù)從多個(gè)角度對(duì)產(chǎn)婦骨盆及胎頭進(jìn)行監(jiān)視，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，操作者可以很直觀地觀察到鉗葉在產(chǎn)婦產(chǎn)道內(nèi)的位置及動(dòng)作軌跡，計(jì)算機(jī)軟件將同步記錄此數(shù)據(jù)。在后期的訓(xùn)練中，可將新手的操作關(guān)鍵技能點(diǎn)數(shù)據(jù)與正確的鉗葉放置位置和規(guī)范操作路徑進(jìn)行對(duì)比、評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)新手操作的評(píng)估和考核。此外，從新手訓(xùn)練的角度出發(fā)，虛擬場(chǎng)景中還以圖形或者文字的形式提供參考的鉗葉移動(dòng)路徑和位置，初學(xué)者可根據(jù)相應(yīng)提示進(jìn)行練習(xí)，從而達(dá)到訓(xùn)練產(chǎn)鉗鉗葉放置技能的目的。

產(chǎn)鉗牽引助產(chǎn)技能訓(xùn)練及評(píng)估的工作原理：在前述產(chǎn)鉗鉗葉放置正確并鎖合鎖扣后，再通過(guò)產(chǎn)鉗助產(chǎn)協(xié)助產(chǎn)婦生產(chǎn)。產(chǎn)鉗助產(chǎn)的基本原理：通過(guò)操作產(chǎn)鉗給抬頭施加一個(gè)牽引力來(lái)輔助產(chǎn)婦進(jìn)行生產(chǎn)，該牽引力需要與產(chǎn)婦自身的產(chǎn)力同頻同步，因此，產(chǎn)鉗牽引助產(chǎn)技能的關(guān)鍵就在于準(zhǔn)確把握產(chǎn)婦宮縮的頻率。

本系統(tǒng)中，產(chǎn)婦宮縮力數(shù)據(jù)由醫(yī)學(xué)臨床采集或者計(jì)算機(jī)軟件模擬產(chǎn)生，由胎頭驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)模擬真實(shí)臨床情況下產(chǎn)婦在生產(chǎn)時(shí)的宮縮情況，并在顯示設(shè)備上用曲線的方式來(lái)描述宮縮變化，初學(xué)者根據(jù)該曲線的變化規(guī)律在產(chǎn)婦宮縮時(shí)通過(guò)產(chǎn)鉗向胎頭施加一個(gè)同步的牽引力來(lái)達(dá)到助產(chǎn)的目的，位于胎頭與驅(qū)動(dòng)桿之間的力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)該牽引力的大小并傳送至系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊，計(jì)算機(jī)軟件根據(jù)產(chǎn)鉗施加的牽引力向胎頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出指令驅(qū)動(dòng)胎頭產(chǎn)生相應(yīng)移動(dòng)，直至將胎頭牽引至產(chǎn)科臨床所需位置，從而完成助產(chǎn)過(guò)程。在此過(guò)程中，三維空間跟蹤定位器獲取的胎頭以產(chǎn)鉗的位姿數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)的傳送至圖形模塊，從而驅(qū)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的3D模型位置更新。在助產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)婦的產(chǎn)力以及產(chǎn)鉗施加的牽引力被顯示在同一時(shí)間坐標(biāo)系中，操作者可以由此來(lái)修正自己的動(dòng)作以期達(dá)到訓(xùn)練目的。通過(guò)一定的評(píng)估算法來(lái)對(duì)比此牽引力與產(chǎn)婦產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作者的考核評(píng)價(jià)。

4 總結(jié)

本文提出的產(chǎn)鉗模擬操作系統(tǒng)及其評(píng)價(jià)方法基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)鉗操作技能培訓(xùn)中，能對(duì)產(chǎn)科臨床產(chǎn)鉗操作技能進(jìn)行直觀、科學(xué)的技術(shù)引導(dǎo)，進(jìn)而能對(duì)產(chǎn)鉗助產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)鉗使用技術(shù)進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確評(píng)估，從而能夠直觀精確地幫助廣大產(chǎn)科從業(yè)者快速高效掌握產(chǎn)鉗助產(chǎn)技術(shù)，與傳統(tǒng)的手把手教學(xué)、機(jī)械模型練習(xí)相比，提高了產(chǎn)鉗術(shù)的培訓(xùn)效率和質(zhì)量，更能促進(jìn)產(chǎn)鉗助產(chǎn)術(shù)的發(fā)展。

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2095－6835（2019）07－0146－03

TP399

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.146

李力（1983—），男，湖南長(zhǎng)沙人，碩士研究生，講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕