阅读说明：本技术 一种虚拟手术训练用三维显示系统 (Three-dimensional display system for virtual surgery training ) 是由 郝爱民 丛宇 赵永涛 于 2020-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及医疗设备技术领域,具体涉及一种虚拟手术训练用三维显示系统,包括虚拟仿真显示模块、训练操作模块、主机箱、上支撑台、下支撑台和偏振光眼镜,所述上支撑台固定连接在所述下支撑台的上部,所述上支撑台与下支撑台形成工字型支撑结构,所述上支撑台的上部摆放有所述虚拟仿真显示模块,所述下支撑台的上部前端摆放有所述操作训练模块。本发明通过采用背投方式并配合平面反射镜的反射作用,使得图像位置偏移,增加了观察者三维观察的视觉深度,同时与手部操作配准,达到良好的显示效果；本系统避免了常规单一观看3D影像的方式,利用双机放映影像,在投影仪上安装偏振片形成偏振光使图像分成左右影像。(The invention relates to the technical field of medical equipment, in particular to a three-dimensional display system for virtual surgery training, which comprises a virtual simulation display module, a training operation module, a mainframe box, an upper supporting table, a lower supporting table and polarized glasses, wherein the upper supporting table is fixedly connected to the upper part of the lower supporting table, the upper supporting table and the lower supporting table form an I-shaped supporting structure, the virtual simulation display module is placed on the upper part of the upper supporting table, and the operation training module is placed at the front end of the upper part of the lower supporting table. The invention adopts a rear projection mode and is matched with the reflection action of the plane reflector, so that the image position is deviated, the visual depth of three-dimensional observation of an observer is increased, and meanwhile, the image position is registered with the hand operation, thereby achieving good display effect; the system avoids the conventional mode of singly watching the 3D images, the images are projected by utilizing two projectors, and the polaroids are arranged on the projectors to form polarized light so that the images are divided into left and right images.)

一种虚拟手术训练用三维显示系统

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种虚拟手术训练用三维显示系统。

背景技术

虚拟现实技术通过VR技术构建模拟场景，可应用于游戏、社交、科教、办公、医疗、观光、驾驶、娱乐、休闲、运动、视频播放等方面，虚拟现实看到的场景和人物全是虚拟的，是把人的意识代入一个虚拟的世界。随着医疗技术信息化的不断发展，虚拟现实技术也逐步应用到了医疗领域，医护人员和学生的技术水平需要进一步提高，医护人员和学生需要不断的钻研学术知识，包括医疗器械的使用和说明、多种疾病的诊断和治疗、对人体多种解剖手术的学习和研究等，然而在现有技术中，医护人员大都是通过观看传统二维影像资料来进行学习研究，而这种方式不直观，教学过程学生体验感差，理解困难，不利于医疗教学效率的提高，现在急需一种显示效果好的虚拟手术训练用三维显示系统。

中国发明专利(CN110376922A)公开了一种手术室场景模拟系统，包括：场景建模模块和场景交互模块；所述场景建模模块，用于构建手术室模拟场景，并将所述手术室模拟场景导入所述场景交互模块，所述手术室模拟场景包含多个交互物体，所述交互物体包括手术床、无影灯、X线片阅片器、监护仪及多功能麻醉机；所述场景交互模块，用于接收用户发送的各个控制指令，并依据每个所述控制指令对应的控制操作，模拟人体与所述手术室模拟场景中的各个所述交互物体进行人机交互。可见，应用该系统可以使用户以直观的形式观察手术室的内部结构，并通过各种控制指令，模拟人体在手术室中的进行各种控制操作的操作过程。

中国发明专利(CN110335516A)公开了一种VR心脏手术模拟系统，包括仿真服务器、手术操作装置、用药操作装置、虚拟数据库和实景数据生成单元，虚拟数据库接有通信接口，手术操作装置和实景数据生成单元之间依次接有操作数据采集装置和操作数据通信模块，用药操作装置和实景数据生成单元之间依次接有用药流量采集装置和用药流量通信模块。该发明还公开了一种VR心脏手术模拟方法。可见，该发明中以存储在虚拟数据库中用药操作模型、手术操作模型和心脏模拟数据响应心肌压力检测模块的采集数据和手术操作装置的动作状态数据，获得虚实混合仿真场景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种虚拟手术训练用三维显示系统。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的，一种虚拟手术训练用三维显示系统，包括虚拟仿真显示模块、训练操作模块、主机箱、上支撑台、下支撑台和偏振光眼镜，所述上支撑台固定连接在所述下支撑台的上部，所述上支撑台与下支撑台形成工字型支撑结构，所述上支撑台的上部摆放有所述虚拟仿真显示模块，所述下支撑台的上部前端摆放有所述操作训练模块，所述虚拟仿真显示模块与所述操作训练模块依次上下相对设置，所述虚拟仿真显示模块和训练操作模块均与所述主机箱电性连接，所述偏振光眼镜摆放在所述上支撑台的台面上。

进一步，所述虚拟仿真显示模块包括第一投影设备、第二投影设备、背投幕装置、反光镜装置、安装支架和调节支腿，所述安装支架为四杆平行方架结构，所述第一投影设备和第二投影设备均安装在所述安装支架的上端，所述背投幕装置安装在所述安装支架的中部，所述反光镜装置安装在所述安装支架的下部，所述背投幕装置与反光镜装置上下相对，所述调节支腿铰接在安装支架的后部。

进一步，所述第一投影设备与第二投影设备均包括投影机、偏转调节架和偏振片，所述投影机固定安装在所述安装支架的支腿上，所述偏转调节架通过旋转固定组件安装在安装支架的支腿上，所述偏转调节架的外端固定安装有所述偏振片，所述第一投影设备与第二投影设备并行对称安装在所述安装支架上。

进一步，所述偏转调节架的旋转固定组件包括两个上下相对的偏转安装板，所述偏转安装板的外侧设有半圆转盘，所述半圆转盘上设有弧形槽孔，所述弧形槽孔内安装有螺纹压柱，所述偏转安装板通过螺纹压柱的螺纹压紧作用固定压紧在所述安装支架的支腿上并实现两个上下相对的偏转安装板的同步偏转角度调节。

进一步，所述背投幕装置的侧部边沿设有螺纹件挤压固定装置，所述背投幕装置通过螺纹件挤压固定装置固定压紧在安装支架上。

进一步，所述调节支腿包括调节铰链、第一锁紧组件和第二锁紧组件，所述调节铰链为串接连杆结构，所述调节铰链的两端均通过所述第一锁紧组件分别连接在安装支架和调节支腿上，所述安装支架和调节支腿均设有与所述第一锁紧组件相配合的滑槽，所述调节铰链的串接关节上设有第二锁紧组件，所述第二锁紧组件可锁定相邻两杆的相对转角。

进一步，所述反光镜装置的前端转动安装在所述安装支架上，所述反光镜装置的后端设有反射角度调节组件，所述安装支架上设有与所述反射角度调节组件相配合的滑槽，所述反光镜装置通过反射角度调节组件在滑槽内的滑动配合而实现角度调节过程。

进一步，所述训练操作模块包括第一力反馈操作设备和第二力反馈操作设备，所述第一力反馈操作设备和第二力反馈操作设备间隔相对设置，所述训练操作模块用于执行力反馈操作过程。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明通过采用背投方式并配合平面反射镜的反射作用，使得图像位置偏移，增加了观察者三维观察的视觉深度，同时与手部操作配准，达到良好的显示效果；本系统避免了常规单一观看3D影像的方式，利用双机放映影像，在投影仪上安装偏振片形成偏振光使图像分成左右影像，同时使用立体眼镜实现虚拟现实环境的3D沉浸效果，解决了无法配准的问题，同时减轻了观察者的视觉疲劳感和眩晕感；另外，本系统小巧方便，可进行桌面化配置，便于携带和收纳，易用性好，具有很高的实际使用价值。

附图说明

图1是本发明整体的结构示意图；

图2是本发明第一投影设备11的结构示意图；

1-虚拟仿真显示模块，11-第一投影设备，111-投影机，112-偏转调节架，113-偏振片，12-第二投影设备，13-背投幕装置，14-反光镜装置，141-反射角度调节组件，15-安装支架，16-调节支腿，161-调节铰链，162-第一锁紧组件，163-第二锁紧组件，2-训练操作模块，21-第一力反馈操作设备，22-第二力反馈操作设备，3-主机箱，4-上支撑台，5-下支撑台，6-偏振光眼镜。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，本发明公开了一种虚拟手术训练用三维显示系统，包括虚拟仿真显示模块1、训练操作模块2、主机箱3、上支撑台4、下支撑台5和偏振光眼镜6，所述偏振光眼镜6包括用于配合观察背投反射影像的3D立体眼镜，所述上支撑台4固定连接在所述下支撑台5的上部，所述上支撑台4与下支撑台5形成工字型支撑结构，所述上支撑台4的上部摆放有所述虚拟仿真显示模块1，所述下支撑台5的上部前端摆放有所述训练操作模块2，所述虚拟仿真显示模块1与所述训练操作模块2依次上下相对设置，所述虚拟仿真显示模块1和训练操作模块2均与所述主机箱3电性连接，所述偏振光眼镜6摆放在所述上支撑台4的台面上。所述虚拟仿真显示模块1包括第一投影设备11、第二投影设备12、背投幕装置13、反光镜装置14、安装支架15和调节支腿16，所述安装支架15为四杆平行方架结构，所述第一投影设备11和第二投影设备12均安装在所述安装支架15的上端，所述背投幕装置13安装在所述安装支架15的中部，所述反光镜装置14安装在所述安装支架15的下部，所述背投幕装置13与反光镜装置14上下相对，所述调节支腿16铰接在安装支架15的后部。所述第一投影设备11与第二投影设备12均包括投影机111、偏转调节架112和偏振片113，所述投影机111固定安装在所述安装支架15的支腿上，所述偏转调节架112通过旋转固定组件安装在安装支架15的支腿上，所述偏转调节架112的外端固定安装有所述偏振片113，所述第一投影设备11与第二投影设备12并行对称安装在所述安装支架15上。所述偏转调节架112的旋转固定组件包括两个上下相对的偏转安装板，所述偏转安装板的外侧设有半圆转盘，所述半圆转盘上设有弧形槽孔，所述弧形槽孔内安装有螺纹压柱，所述偏转安装板通过螺纹压柱的螺纹压紧作用固定压紧在所述安装支架15的支腿上并实现两个上下相对的偏转安装板的同步偏转角度调节。所述背投幕装置13的侧部边沿设有螺纹件挤压固定装置，所述背投幕装置13通过螺纹件挤压固定装置固定压紧在安装支架15上。所述调节支腿16包括调节铰链161、第一锁紧组件162和第二锁紧组件163，所述调节铰链161为串接连杆结构，所述调节铰链161的两端均通过所述第一锁紧组件162分别连接在安装支架15和调节支腿16上，所述安装支架15和调节支腿16均设有与所述第一锁紧组件162相配合的滑槽，所述调节铰链161的串接关节上设有第二锁紧组件163，所述第二锁紧组件163可锁定相邻两杆的相对转角。

所述反光镜装置14的前端转动安装在所述安装支架15上，所述反光镜装置14的后端设有反射角度调节组件141，所述安装支架15上设有与所述反射角度调节组件141相配合的滑槽，所述反光镜装置14通过反射角度调节组件141在滑槽内的滑动配合而实现角度调节过程。所述训练操作模块2包括第一力反馈操作设备21和第二力反馈操作设备22，所述第一力反馈操作设备21和第二力反馈操作设备22间隔相对设置，所述训练操作模块2用于执行力反馈操作过程。

本系统采用双投影组成偏振光立体投影，双机放映可极大弥补单机3D画面两端不足，得到更高图像质量的同时，保证画面更加平滑流畅，避免了屏幕亮点或光反射不均匀，消除单机3D系统的长时间观看带来的视觉疲劳和眩晕感，并且系统在传输中一直保持高画质，实现了图像质量的高保真度。立体显示技术的硬件技术方面，调整硬件控制视差在适当范围内，就能完成立体显示要求。

在具体使用时，本发明设备可根据分时显示技术建立立体显示系统。立体显示系统经常采取分光技术，使用两个相同的投影设备同时放映画面，并且在两个投影设备的镜头上分别装上两个相位差为九十度的偏振片113，在屏幕上形成双影。用户可选择与镜头偏振片113角度一致的立体眼镜，当有光源时，立体眼镜的左右镜片利用过滤好的偏振光而实现图形立体效果。本系统使用需要配备图形工作站，图形工作站将图形信号输出，将立体显示设备的硬件连接好后，需要对图形工作站的软件部分进行调整。先对图形工作站的显示部分进行调整，要实现双投影显示就要让投影系统与工作站的显示器同步，因此，将图形工作站的显示模式设置成扩展模式，也就是说两个投影相当于两个显示器，分别显示的左眼和右眼不同的画面。通过偏振片和偏振眼镜的组合，使得用户左眼只看到左眼画面，右眼只看到右眼画面。将模型导入后，需要在虚拟现实软件中调整三维立体显示的效果。利用双投影机111放映影像，在投影机111上安装偏振片113形成偏振光使图像分成左右影像，同时使用立体眼镜实现虚拟现实环境的3D沉浸效果。

另外需要说明，被动立体投影是基于偏振光原理的投影方式，通过两个投影机111将具有双目视差的同一场景的两幅图像重叠地投影在一块屏幕上，此时裸眼观察屏幕看到的是带有重影的三维实体。为了能够让人的左右眼分别看到立体图像组中的对应图像，需要采用偏振片113作为起偏器，使两个投影机111投出的光束经过偏振后偏振方向相互正交，经屏幕反射后由以立体眼镜形式出现的检偏器分别接收左右眼光束。具体地，光在传播中，经过两片极化方向相同的偏振片113时，可以透光；在经过两片极化方向垂直的偏振镜片时，就不能透光。将两台投影机111叠加显示，镜头前方分别安装极化方向垂直的偏振镜片；而偏振眼镜的镜片也同样是极化方向垂直的。这样观察者的左右眼只能分别看到某一台投影机111投射的画面。立体图像经过偏振眼镜检偏后分别投影在两个眼睛的视网膜上，从而使人的左右眼分别观察到两幅具有视差的图像，达到显示效果。

本系统基于双机叠加的被动立体投影系统可由图形工作站、两台工程型DLP的投影机111、偏振片113、金属幕布、3D立体眼镜组成。首先用户通过图形工作站生成三维模型，通过图形工作站上的高端专业图卡的两个接口输入两路视频信号给两台投影机111，投影机111光线通过具有偏振作用的偏振片113输出两个偏振光源投到金属幕布上，用户即可通过3D眼镜观察到具有高质量的3D影像效果。同时，此方式还可以方便地进行多通道拼接，达到宽视场的立体显示效果，这里不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。