用于牙科学的虚拟现实训练系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于虚拟现实培训系统以便获得牙科医术的程序化运动，即在显示屏（７）上检测与真实手持元件（２）的空间位置、虚拟物体（Ｔ）的三维显示相关的数据，对所述空间位置数据进行加工，以便提供与所述真实元件（２）的真实空间位置相应的虚拟仪器（０Ｖ）的空间显示，提供虚拟仪器（０１－０４），用于在所述虚拟物体（Ｔ）上操纵，并且模拟所述虚拟仪器和所述虚拟物体（Ｔ）之间的互动。所述手持元件（２）属于触摸式人－机界面（ＩＨＭ），它包括受控制的驱动器，用于在所述虚拟仪器（０Ｖ）与所述虚拟物体（Ｔ）互动时，给在手中持有所述真实元件（２）的用户提供一个力反馈。本发明专利技术可用于教学目的和职业目的。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于牙科学的虚拟现实训练系统。它还涉及该系统所采用的学习方法，及其在训练和模拟治疗方法上的用途。在培训牙科手术领域的学生时，基本操作技能的训练通常是在死亡后取出的天然牙齿上进行的。这种牙齿稀少并且昂贵，而且难于获得，它构成了大学和培训中心的沉重的预算负担。另外，通常这种来源不明的牙齿会使其使用者受到无法接受的污染危险。可以通过商业渠道获得人造牙齿，但是最廉价的人造牙齿是由同一种材料制成的，这种牙齿不能再现牙齿的结构(釉质、牙质、齿髓)，而异质人造牙齿更真实一些，但是因为它们超过了培训预算而难于被接受。更常见的是，包括对固体物体进行无法恢复的操作，如刺穿、钻孔、刮削或雕刻的用于治疗或工业目的的任何机械治疗技术的学习，都会受到获得用于治疗的物体的问题的影响。Denx有限公司出售一种被称为DentSim的虚拟现实牙科操作台，该操作台包括一个装有与计算机连接的传感器的模拟患者，一整套牙科手术器械，以及为用户提供模拟患者下颌的三维图像的软件工具。由Denx有限公司所拥有的专利US5688118披露了一种用于牙科学的图像、声音和感觉模拟系统，该系统包括一个便携式钻头，在钻头中装有一个三维传感器，用于为该系统提供所述钻头的空间位置和方向，以及一个数据处理和显示装置。该模拟系统的用户在安装在模拟患者的假人的人造下颌里的人造牙齿上进行操作。该系统还包括用于控制通向所述钻头的压缩空气流的装置，并因此控制钻头的转速，以便模仿相应于通过具有不同的硬度的牙齿的各层钻孔操作时的声音和感觉。虽然该系统确实能提供用于牙科学教育的训练方法，但是它具有一种复杂的结构，特别是该结构涉及到安装一压缩空气源，这必然会导致很高的成本，这对于所有牙科学培训中心来说，并不是都可以接受的。本专利技术的一个主要目的是通过提供一种虚拟现实训练系统解决上述问题，该系统使得接受初步训练或正在训练的学生或开业医生能学习正确的方法和操作，并且，其成本也显著低于特别是包括必需的旋转设备的常规牙科操作台的成本。另外，除了训练需要之外，特别是在牙科手术中也存在需求，特别是在治疗和介入方法模拟中需要，例如，在正牙学中，其中治疗是在牙模型(typodonts)上模拟的，而受到正牙力的人造牙齿被埋在蜡支持物中，该支持物必须通过加热软化。因此，本专利技术的另一个目的是提供一种虚拟现实软件应用，它能为开业医生提供一种用于确定介入策略的模拟工具。上述目的是通过用于获得牙科学的手术方法的虚拟现实训练系统而实现的，该系统包括--一个可以手持的真实辅助设备，--用于在所述真实辅助装置上提供位置和方向信息的装置，--基于计算机的装置，用于在一个屏幕上提供虚拟物体的三维图像，特别是一个虚拟的牙齿或一套虚拟的牙齿，以及相应于所述真实辅助装置的有效空间位置的虚拟手工工具的空间显示，和--一个触摸式人-机界面装置，它包括所述可以手持的真实辅助装置，并且包括由所述基于计算机的装置控制的驱动器，以便在所述虚拟手工工具与虚拟物体互动时，给将所述真实辅助装置握在手中的用户提供一个力反馈。根据本专利技术，所述模拟装置包括用于模拟所述虚拟物体的异质结构，以及根据所述异质结构和所述虚拟手工工具的功能特征，给所述控制装置提供力反馈的装置。因此，可以提供这样一种训练系统，它只需要一台常见类型的计算机或IT操作台和一个触摸式人-机界面装置作为其硬件基础。与上述专利文件US5688118中所披露的训练系统不同，没有必要在真实的钻头和人造牙齿之间提供真实的物理互动。在本专利技术中，所提供的唯一的真实机械操作，就是对用户所持的真实训练辅助装置产生的力反馈，这样就显著降低了实施该方法的成本，因为触摸式人-机界面是现有的。在本专利技术系统的一种具体实施方案中，所述人-机界面装置还包括一个被设计用于在其一端容纳所述真实辅助装置的以铰链形式相连的机械结构。本专利技术的系统优选还包括用于模拟所述虚拟手工工具和虚拟物体之间的互动的装置。所述触摸式界面装置还可以与所述计算机配合工作，以便用户可以从一组可供利用的虚拟手工工具中选择一种虚拟手工工具。所述工具可以包括其一部分可以以可调节的速度旋转的手工工具。可以用推荐的虚拟手工工具制造一种虚拟手工工具。另外，可以取消虚拟手工工具在模型上的某些操作。还可以在本专利技术的系统中提供用于根据所述虚拟手工工具和虚拟物体之间的预定互动播放预定的声音的装置，以及用于模拟在与所述虚拟手工工具互动期间，所述虚拟物体内的热效应的装置。所述真实辅助装置可以是一个探头，它具有类似于真实手工工具的物理特征和大小特征。该探头还可以由一个以可以拆卸的方式安装在所述铰链连接的机械结构末端的真实手工工具构成。应当指出的是，一种异质触摸式结构可以提供单一的虚拟辅助装置(或模型)。可以通过所述虚拟手工工具的内在特征改变所述虚拟辅助装置的触摸特征(该手工工具的转速、所述辅助装置和手工工具之间的接触时间)。用户可以通过虚拟手工工具赋予改进(虚拟从原始模型上除掉材料)部位一种触摸特征，产生一种新的异质模型。还可以规定本专利技术的前提，以便通过模拟虚拟的镜子，以间接方式在所述模型上操作(颠倒用户移动和显示的虚拟手工工具之间的方向)。根据本专利技术的另一方面，提供了用于本专利技术系统中的用来获得牙科学的操作过程的一种虚拟现实训练方法，该方法包括--获得真实手持辅助装置的空间位置数据，--虚拟物体，特别是虚拟牙齿在屏幕上的三维图像，--提供能够在所述虚拟物体上操作的虚拟手工工具，以及模拟所述虚拟手工工具和所述虚拟物体之间的互动，--处理空间位置信息，以便提供相应于所述真实辅助装置的有效空间位置的所述虚拟手持工具的空间显示，所述真实手持辅助装置属于一种触摸式人-机界面装置，它包括受控制的驱动器，以便在所述虚拟手工工具与所述虚拟物体互动时，为用手握住所述真实辅助装置的用户提供一个力反馈。本专利技术训练方法的特征是，一方面，它在所述触摸式界面装置内，在空间位置获取功能和力反馈驱动器控制功能之间采用了一种软件界面，另一方面，虚拟物体和手工工具的模拟和三维图像是在所述计算机内完成的。本专利技术的方法优选还包括模拟所述虚拟物体的异质结构，并且根据所述异质结构和所述虚拟手工工具的功能特征产生力反馈数据。本专利技术的训练方法优选包括提供由用户实施工作的数字数据的可能性(去除、添加的虚拟材料的体积；工作时间，手工工具通过所述异质结构内的某些解剖学标志的情况)。另外，可以改变所述模型的所述异质部分之一的透明度，以便显示所述辅助装置的内部结构。还可以设计成能产生由用户所选择的所述虚拟模型的X光或射线照相术的图像。另外，本专利技术的训练方法可以优选包括显示由用户所进行的工作的录像序列(回放)。本专利技术的虚拟现实训练系统和方法被直接应用在牙科学领域，其中，虚拟物体是牙齿，而虚拟手工工具是手术手工工具。所述虚拟牙齿可以插入虚拟下颌中，而它本身构成了虚拟头部的一个整体部分。这种用途同样涉及在牙科学中的训练或模拟治疗方法。通过以下说明可以进一步了解本专利技术的其他特征和优点。在作为非限定性实施例提供的附图中附图说明图1A是本专利技术虚拟现实训练系统的框图，其中，真实辅助装置是钻头；图1B表示所述真实辅助装置为探头的具体应用；图2A是通过本专利技术方法治疗的牙齿的简化剖视图；图2B是在本专利技术的触摸式虚拟现本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于获得牙科学的操作方法的虚拟现实训练系统（Ｓ），该系统包括：－－一个可以手持的真实辅助设备（２，２０），－－用于在所述真实辅助装置上提供位置和方向信息的装置，－－基于计算机的装置（６），用于在一个屏幕（７）上提供虚拟物体（Ｔ） 的三维图像，特别是一个虚拟的牙齿或一口虚拟的牙齿，以及相应于所述真实辅助装置（２）的有效空间位置的虚拟手工工具的空间显示，和－－一个触摸式人－机界面（ＩＨＭ）装置（１），它包括所述可以手持的真实辅助装置（２），并且包括由所述基于计算机的 装置（６）控制的驱动器，以便在所述虚拟手工工具（ＯＶ）与虚拟物体（Ｔ）互动时，给将所述真实辅助装置握在手中的用户提供一个力反馈，其特征在于，所述模拟装置包括用于模拟所述虚拟物体（Ｔ）的异质结构，以及根据所述异质结构和所述虚拟手工工具（Ｏ Ｖ）的功能特征，给所述控制装置提供力反馈的装置。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：J阿泽拉德，J布兰查德，Y毛林，
申请(专利权)人：巴黎大学丹尼斯迪德罗特第七分校，
类型：发明
国别省市：FR[法国]