心脏解剖虚拟仿真教学系统

本发明涉及仿真教学，尤指一种心脏解剖虚拟仿真教学系统。

背景技术：

1、随着医学科技的飞速发展，心脏疾病的诊断和治疗变得越来越复杂，对医学生和医生的专业技能提出了更高的要求。传统的心脏解剖教学主要依赖于解剖室的尸体标本，这种方式存在着供应不足、成本高昂、保存不便等问题。近年来虚拟现实(vr)技术在医学教育中得到了广泛应用。vr系统通过沉浸式体验提供了更直观、可互动的学习环境。然而，当前还存在以下问题：现有技术下解剖模型建立的精度较低；传统的实验室解剖学习通常在静态的环境中进行，缺乏足够的多样性和真实性；目前系统依赖高配置终端设备，模型观察效果表现差。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种心脏解剖虚拟仿真教学系统。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种心脏解剖虚拟仿真教学系统，包括影像数据处理模块、三维模型建立模块、心脏搏动效果模拟模块、图像渲染与虚拟现实模块、视图摄影机控制模块和教学内容管理模块；所述影像数据处理模块、三维模型建立模块、心脏搏动效果模拟模块、图像渲染与虚拟现实模块、视图摄影机控制模块和教学内容管理模块通信连接；

4、所述影像数据处理模块用于采集、接收和处理心脏解剖相关的影像数据，所述影像数据包括医学影像、ct扫描和mri；

5、所述三维模型建立模块用于通过摄影制图法和图像识别算法将处理后的影像数据构建成三维解剖模型；

6、所述心脏搏动效果模拟模块用于模拟心脏组织受到牵拉、变形和流血现象的动态效果；

7、所述图像渲染与虚拟现实模块用于通过图像渲染技术和虚拟现实技术将三维心脏模型和搏动效果呈现在虚拟环境中；

8、所述视图摄影机控制模块用于基于矩阵变换算法实现对解剖网格物体的视图控制；

9、所述教学内容管理模块用于管理和组织教学内容，所述教学内容包括解剖知识、模型数据、教学案例研究和学习进度规划与跟踪。

10、进一步的，所述影像数据处理模块采用的方法包括图像增强和分割算法以及深度学习算法。

11、进一步的，所述三维模型建立模块包括摄影制图单元、解剖模型建立单元和纹理映射单元；

12、所述摄影制图单元用于使用摄影制图法将二维影像转换为三维坐标；

13、所述解剖模型建立单元用于通过卷积神经网络算法构建解剖模型；

14、所述纹理映射单元用于将影像数据中的纹理信息映射到解剖模型上。

15、更进一步的，所述解剖模型建立单元的构建过程包括以下步骤：

16、获取所述影像数据处理模块的数据；

17、将预处理后的数据划分为训练集和测试集；

18、使用深度卷积神经网络算法构建心脏解剖模型，所述深度卷积神经网络算法包括卷积层、池化层和全连接层；

19、通过卷积层和池化层学习医学影像中的解剖结构特征，所述解剖结构特征包括识别心脏的不同部分、血管网络和心脏壁厚度；

20、使用训练集中的医学影像数据，将其输入到心脏解剖模型中进行训练；

21、使用测试集验证心脏解剖模型性能；

22、将训练好的心脏解剖模型应用于新的影像数据，通过前向传播生成包含详细解剖信息的三维模型。

23、进一步的，所述心脏搏动效果模拟模块包括心脏搏动参数计算单元和搏动效果模拟单元；

24、所述心脏搏动参数计算单元用于通过识别心脏的起始点和确定心室以及心房的位置，计算搏动的频率，同时使用生理学模型和解剖学知识，确定心脏肌肉在收缩和舒张阶段的变化；

25、所述搏动效果模拟单元用于采用边界元方法来模拟心脏组织表面的变形效果。

26、更进一步的，所述搏动效果模拟单元的运行过程包括以下步骤：

27、将心脏表面离散成边界元；

28、使用弹性模型描述心脏组织的变形，所述弹性模型包括线性弹性模型和非线性弹性模型；

29、对每个边界元应用于弹性模型，计算心脏表面上每个边界元在搏动过程中的位移；

30、使用时间积分方法模拟搏动的时间演化，同时在模拟开始时，初始化每个节点的位移为零；

31、将边界元上的位移信息传递到相邻节点，并在整个网格上使用数值方法求解位移场；

32、根据边界元模型的结果，更新每个节点的位移。

33、进一步的，所述图像渲染与虚拟现实模块包括头戴式显示设备和手柄控制器。

34、进一步的，所述视图摄影机控制模块的运行过程包括以下步骤：

35、通过用户摄像机发射射线，模拟用户目光方向，所述射线与解剖模型骨骼或肉组织产生碰撞点；

36、利用碰撞点到摄像机方向、世界坐标向上方向以及摄像机剪切面方向构建参考矩阵；

37、在屏幕空间的位移计算碰撞点到摄像机方向和摄像机剪切面方向的屏幕空间的移动和旋转增量；

38、利用rotate matrix和transform position matrix节点，计算变换后的矩阵增量；

39、通过增量变换矩阵和参考矩阵计算摄像机的位置，使用matrix*matrix节点实现视角的变化，并设置视图恢复模式。

40、进一步的，所述教学内容管理模块包括教学内容展示单元、学习进度规划与跟踪单元、学习资源管理单元和评估与反馈单元；

41、所述教学内容展示单元用于呈现解剖知识、模型数据和教学案例研究和其他相关的教学内容；

42、所述学习进度规划与跟踪单元用于制定学生的学习计划，并跟踪学生的学习进度；

43、所述学习资源管理单元用于组织和管理系统中的学习资源，所述学习资源包括解剖知识库、模型数据集和教学案例库；

44、所述评估与反馈单元用于实施学生的评估和提供及时的反馈。

45、进一步的，还包括数据传输模块，所述数据传输模块用于通过5g网络实现高效医学影像、三维心脏模型和搏动效果的数据传输。

46、本发明的有益效果在于：

47、本发明通过整合影像数据处理、三维模型建立、搏动效果模拟、图像渲染与虚拟现实等多个模块，学生能够在一个综合性的虚拟环境中进行学习。这种综合性的教学体验有助于更全面、深入地理解心脏解剖学知识。

48、本发明中影像数据处理模块通过医学影像、ct扫描和mri数据构建的三维解剖模型，搭配搏动效果模拟，使学生能够在虚拟环境中观察到心脏组织受到牵拉、变形和流血等真实动态效果，提高模拟的真实感，有助于更好地理解心脏生理过程。视图摄影机控制模块基于矩阵变换算法实现对解剖网格物体的视图控制，使学生可以根据个人需求调整观察角度，实现个性化学习。这有助于不同学生根据自身学习习惯和需求进行学习，提高学习的效果。

49、本发明中图像渲染与虚拟现实模块结合虚拟现实技术，将三维心脏模型和搏动效果呈现在虚拟环境中。这种技术的应用使学生沉浸于虚拟解剖环境中，提高了学习的吸引力和趣味性，有助于加深对解剖学知识的印象。教学内容管理模块负责管理和组织教学内容，包括解剖知识、模型数据、教学案例研究以及学习进度规划与跟踪。这有助于教师更好地指导学生学习，使学生能够有系统地学习解剖学知识，并随时跟踪学习进度。