中子剂量和内污染快速诊断模拟训练装置及训练方法与流程 专利技术说明

办公文教;装订;广告设备的制造及其产品制作工艺1.本发明涉及医疗卫生装备技术领域，尤其涉及一种用于模拟训练核应急医学救援现场快速检测伤员所受中子剂量以及内污染核素种类和活度的装置及方法。背景技术：2.中国发明专利cn109870717b，公开了一种放射性检测装置，包括集成化设置的γ射线检测系统和中子检测系统，γ射线检测系统包括nai(t1)晶体探测器；中子检测系统包括3he中子探测器；两者集成化设置，单次检测便可完成γ射线和中子射线检测。3.中国发明专利申请cn112309599a，公开了一种核应急α内污染检测系统，至少包括防护服、呼吸罩、数字化α能谱获取及分析设备等，将数字化α能谱获取及分析设备与防护服设计为一体式结构。中国实用新型专利cn205353374u，公开了一种紧凑型肺部内污染检测仪器，包括探测器、核脉冲信号分析器、电源系统、usb接口等。4.但是，无论是γ射线检测系统、中子检测系统还是体内核污染的检测仪器，除了本身自带的使用说明书，使用人员无法获得提前练习或训练的机会，由于缺少训练，在紧急情况下检测的效率和效果就会不佳。5.由于放射性物质的污染对于人员的健康威胁和环境的危害大，因此，不可在真实环境中进行日常检测、训练或演习，更加不能人为构建受污染的病例。6.现有技术中至今没有一种能够提高参训人员对中子剂量和内污染核素种类和活度快速诊断能力的仿真训练方案。技术实现要素：7.为了克服上述技术缺陷，本发明提供了一种中子剂量和内污染快速诊断模拟训练装置及训练方法，由于核污染对人员健康和环境的危害，不可在日常环境中进行真实的核污染检测训练，急需一套仿真训练方案。本发明提供的中子剂量和内污染快速诊断模拟训练装置，为半实物仿真模拟器，通过真实操作，与虚拟相结合，使参训人员真实地练习操作核污染检测的流程；本发明还提供了相应的模拟训练方法，构建各种核应急医学救援伤员所受中子剂量以及内污染核素的仿真模型、参训者头戴ar增强现实头盔，按照真实的检测流程，逼真地操作模拟训练装置，并及时获知检测模拟结果反馈；有效地提高了参训人员的操作能力，避免参训人员受到核污染等危险。8.本发明的第一个方面，提供一种中子剂量和内污染快速诊断模拟训练装置。9.实物的中子剂量和内污染快速诊断仪，是本技术人的科研创新成果，其工作原理是：人员受到中子照射后，体内的na被活化产生24na并发射γ射线，通过测量伤员头顶处的24na计算伤员中子受照剂量；人员遭受放射性核素内污染后，短期内放射性核素主要集中在肺部，通过测量肺部处的γ射线，快速判定人员内污染γ核素种类和活度。放射性核素发射的γ射线进入探测器，在探测晶体内产生与γ射线能量成正比的微弱光信号，经前置电路和前置放大器处理放大后，形成等比例高度的脉冲信号，再由脉冲幅度分析器根据高度将脉冲分配至相应的能量道，形成多道谱，然后通过对多道谱数据的分析实现对γ放射性的定量分析，从而快速检测辐射损伤伤员的中子剂量以及内污染核素种类和活度。10.本发明所述的中子剂量和内污染快速诊断模拟训练装置，是半实物仿真模拟器，不需要实物中的探测器内部结构，而是结合ar技术对中子剂量以及内污染核素种类和活度进行诊断模拟训练，所述诊断模拟训练装置包括：11.主机，包括主机外壳、主机电池、触摸屏和主机操控单元；12.探测器，包括探测器外壳、探测器内部有控制单元和供电单元；13.准直器，位于探测器前端；14.主机与探测器各自独立，也可以快速连接在一起；主机操控单元、触摸屏与控制单元之间通过有线或无线方式连接；15.空间定位追踪器，设置于探测器或准直器内，用于将诊断模拟训练装置的现实坐标位置信息与ar技术中的虚拟诊断模拟训练装置的坐标位置信息进行初始化坐标校准对齐。16.进一步地，所述触摸屏在主机外壳内部，主机外壳打开后才能进行触摸工作。17.进一步地，主机与探测器通过电缆可以快速地连接在一起；在本发明的一个实施例中，电缆一端插入探测器尾部，另一端插入主机外壳的侧面。18.进一步地，所述探测器外壳上设置有握把，便于训练人员手提探测器进行检测。19.进一步地，所述的探测器外壳采用3d打印技术制备而得；准直器也可采用3d打印技术制备而得。20.进一步地，所述的探测器和准直器可以是一体化结构，也可以是分体式结构在使用前进行快速安装和拆卸，所述的空间定位追踪器可以设置于探测器内，也可以设置于准直器内。在本发明的一个实施例中，空间定位追踪器设置于准直器前端。21.进一步地，所述探测器外壳上根据需要，也可以设置有背带，背带可折卸式固定在探测器外壳上，便于训练人员可以将探测器背在身上，空出双手操作主机。22.进一步地，所述主机操控单元或控制单元包括：上位机、路由器、wifi模块以及单片机，之间都是通过tcp/ip协议相互传输数据。23.其中的单片机处理的信息包括触摸屏的按键信息，通过上位机传过来的指令，单片机进行处理运算，输送触摸屏的显示信息。24.主机操控单元与触摸屏之间、主机操控单元与探测器的控制单元之间，也可以通过无线方式连接，优选wifi。25.所述的单片机，优选stm32f103xx系列单片机等。26.所述的wifi通讯模块，优选atk-esp8266模块，支持lvttl串口，兼容3.3v和5v单片机系统。27.所述的触摸屏，优选基于开发板的显示屏幕2.8寸tft lcd等。28.本发明的第二个方面，还提供了一种包含如上所述的诊断模拟训练装置的中子剂量和内污染快速诊断模拟训练系统，所述系统还包括：带有模拟仿真软件的ar头盔、带有模拟仿真软件的智能终端(例如pc端)、路由器和大范围空间定位基站。系统各部件通过tcp/ip协议交换数据。29.本发明的第三个方面，提供了一种中子剂量和内污染快速诊断模拟训练方法，包括：30.在智能终端(例如pc)上构建各种核应急医学救援伤员所受中子剂量以及内污染核素的仿真模型(训练案例/演习案例)，优选的，用数字化建模方法构建仿真模型，如头顶处不同中子受照剂量、肺部γ射线污染等；31.参训者头戴ar增强现实头盔，打开诊断模拟训练装置，操作诊断模拟训练装置上主机的触摸屏，按照真实的检测流程对不同的仿真模型用探测器进行检测；参训者在检测过程中及时获知检测模拟结果反馈；32.诊断模拟训练装置中主机操控单元、触摸屏与控制单元之间通过有线或无线方式连接，将参训者操作触摸屏所设置的参数，通过tcp/ip协议将数据发送至诊断模拟训练装置各部件、ar增强现实头盔和智能终端。33.具体地，上述训练方法包括：34.步骤s1：参训者戴上ar眼镜，打开诊断模拟训练装置并进入检测模拟仿真软件，选择特定的训练案例，仿真软件采用数字化建模仿真技术建立核应急医学救援中受中子剂量以及内污染核素污染的虚拟伤员；不仅可以选择受污染的部位、也可以选择核素的种类和活度；35.步骤s2：参训者移动诊断模拟训练装置的探测器(准直器)，使其与ar眼镜中对应的虚拟实体位置保持一致，完成空间定位校准，即可开始仿真训练；36.步骤s3：参训者通过触摸屏来设置检测参数，按照真实的检测流程进行检测；37.步骤s4：参训者移动探测器(准直器)至仿真模型中的虚拟伤员的污染处，通过触摸屏查看检测结果。38.本发明所述的增强现实(augmented reality，简称ar)，是指透过摄影机影像的位置及角度精算并加上图像分析技术，让屏幕上的虚拟世界能够与现实世界场景进行结合与交互的技术。增强现实可扩展我们的物理世界，并在其中添加数字信息层。与虚拟现实(vr)不同，ar不会创建整个人工环境来用虚拟环境代替真实环境。ar显示在现有环境的直接视图中，并向其中叠加声音，视频，图形。通过叠加计算机生成的图像来查看现实世界的物理环境，从而改变了对现实的感知。所以称为“增强现实”。39.本发明所述的空间定位追踪器，采用室内激光定位技术，是指通过激光发射器扫描模拟器机身上的标准定位器(即ik算法中的末端效应器)，从而获得位置和方向信息。具体来说，该室内定位技术是靠激光和标准定位器来确定运动物体的位置。若干个激光发射器会被安置在四周，形成一个矩形区域，这个区域可以根据实际空间大小进行调整。每个激光发射器内设计有两个扫描模块，分别在水平和垂直方向轮流对定位空间发射横竖激光扫描定位空间。运动者身上有标准定位器，通过标准定位器接收到激光的时间计算出标准定位器的准确位置。通过激光室内定位技术获取定位传感器的精确位置后，即可利用ik算法反向推算旋转角和位置，从而获得模拟器的运动信息。激光空间定位具有以下优势特性：40.1)多目标标定、交互的特性，可以实现多人，多目标的数据标定。41.2)抗遮挡，稳定，由于没有过多的复杂运算，激光定位技术几乎没有延迟，不怕遮挡，只要被周围任何一个激光发射塔的信号覆盖，就可以精准识别位置信息。42.3)精度高延时小，激光空间定位精度可以做到1mm以下，延迟20ms以下。43.采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：44.本发明提供一种便携式的中子剂量和内污染快速诊断模拟训练装置及其检测模拟训练方法，本发明的半实物的诊断模拟训练装置结合ar增强现实技术对受辐射损伤伤员的中子剂量以及内污染核素种类和活度体表进行快速诊断模拟训练，参训者头戴ar增强现实头盔，其眼睛能够看到虚拟的操作情景，参训者可以按照真实的检测操作，将检测模拟装置对准虚拟伤员的头顶或内污染处进行检测操作，操作和查看触摸屏，从而在虚实结合场景里达到训练效果。45.本发明构建虚拟的受辐射损伤伤员及场景，通过模拟真实的检测操作，与ar增强现实技术相结合，大大增加了参训人员的代入感。参训者头戴ar增强现实头盔，按照真实的检测流程，逼真地操作半实物仿真模拟训练装置，并及时获知检测模拟结果反馈，这样的模拟训练，更加有效提高了参训人员的实际操作能力，以及快速检测辐射损伤伤员的中子剂量以及内污染核素种类和活度技能的掌握和熟练。附图说明46.图1为中子剂量和内污染快速诊断模拟训练装置的整体结构示意图；47.图2为中子剂量和内污染快速诊断模拟训练装置中主机的结构示意图；48.图3为中子剂量和内污染快速诊断模拟训练装置中探测器的外部结构示意图；49.图4为中子剂量和内污染快速诊断模拟训练装置中探测器的内部结构示意图；50.图5为中子剂量和内污染快速诊断模拟训练装置中触摸屏显示界面示例，图5a主界面，图5b中子剂量检测界面，图5c内污染检测界面；51.图6为中子剂量和内污染快速诊断模拟训练方法的逻辑流程图；52.图中：主机1(主机外壳11、主机电池12、触摸屏13、主机操控单元14)、探测器2(握把21、控制单元23、供电单元24)、电缆3、准直器4、空间定位追踪器5。具体实施方式53.以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。54.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。55.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。56.如图1、图2、图3、图4所示，本实施例的快速检测辐射损伤伤员的中子剂量以及内污染核素种类和活度的模拟训练系统包括：中子剂量和内污染快速诊断模拟训练装置(半实物模拟探测器)、带有模拟仿真软件的ar头盔、带有模拟仿真软件的智能终端(例如pc端)、路由器和大范围空间定位基站。57.诊断模拟训练装置包括：58.主机1，包括主机外壳11、主机电池12、触摸屏13和主机操控单元14；59.探测器2，包括探测器外壳、探测器内部有控制单元22和供电单元23；60.准直器4，位于探测器2前端；61.主机1与探测器2各自独立，也可以快速连接在一起；主机操控单元14、触摸屏13与控制单元23之间通过有线或无线方式连接；62.空间定位追踪器5，设置于探测器2或准直器4内，用于将诊断模拟训练装置的现实坐标位置信息与ar技术中的虚拟诊断模拟训练装置的坐标位置信息进行初始化坐标校准对齐。63.在本实施例中，探测器2和准直器4是一体化结构，空间定位追踪器5设置于准直器前端。64.所述触摸屏13在主机外壳11内部，主机外壳11打开后才能进行触摸工作，可以是单屏或双屏设置。65.在本实施例中，主机1与探测器2通过电缆3快速地连接在一起，电缆一端插入探测器尾部，另一端插入主机外壳的侧面。此时，主机操控单元14、触摸屏13与控制单元23之间通过有线连接。66.所述的探测器外壳上设置有握把21，便于检测时一只手提，另一只手操作触摸屏13。67.所述的探测器外壳、准直器采用3d打印技术制备而得。68.所述主机操控单元或控制单元包括：上位机、路由器、wifi模块以及单片机，之间都是通过tcp/ip协议相互传输数据。69.其中的单片机处理的信息包括触摸屏的按键信息，通过上位机传过来的指令，单片机进行处理运算，输送触摸屏的显示信息。70.主机操控单元与触摸屏之间、主机操控单元与探测器的控制单元之间，也可以通过无线方式连接，优选wifi。71.所述的单片机，优选stm32f103xx系列单片机等。72.所述的wifi通讯模块，优选atk-esp8266模块，支持lvttl串口，兼容3.3v和5v单片机系统。73.所述的触摸屏，优选基于开发板的显示屏幕2.8寸tft lcd等。74.单片机双向控制触摸屏的显示和按键，用于接收诊断模拟训练装置的相关参数和传输检测结果。单片机通过tcp/ip协议与wifi模块连接并相互传输数据，wifi模块通过tcp/ip协议与路由器连接并相互传输数据，路由器通过tcp/ip协议与上位机连接并相互传输数据，通过单片机处理发送指令(16进制的字符串)到wifi通讯系统，经过握手原则，在上传上位机，上位机收到指令处理后再返回指令(16进制的字符串)控制单片机，从而实现实时交互。75.通过wifi进行通讯，通过上位机下发指令到单片机(单片机处理)从而显示数值；单片机操作会给上位机发送指令，从而上位机接收到数据(进行逻辑处理)，上位机发回来的数据会显示到屏幕上。76.控制单元，将参训者所设置完毕的数值通过wifi模块tcp/ip协议与路由器连接将数据发送至pc、ar头盔中，通过计算，将计算后将结果同步至三维虚拟空间。77.半实物模拟探测器的控制单元、空间定位追踪器和触摸屏上设置的所有功能按钮均是真实结构，能够与ar眼镜和pc端进行数据交互。78.中子剂量和内污染快速诊断模拟训练装置中触摸屏显示界面示例，如图5所示，触摸屏的按键包括但不限于：79.开机键，长按开机键，显示本仪器信息、日期时间等显示；80.菜单键，按菜单键进入检测界面，可以选择相应的放射源种类，并设置参数；81.上方向按键；下方向按键；82.确认按键，按确认按键进行检测，当第一次检测完毕时，进行下一次检测需要按菜单按键清除测量值(但上方数值会保留上一测得真实值)，然后按下确认按键进行下一次测量；所有测量值都会保存并传输。83.本技术中，带有模拟仿真软件的ar头盔、带有模拟仿真软件的智能终端(例如pc端)、路由器和大范围空间定位基站与半实物模拟探测器的各个部件之间的连接关系属于ar技术领域的常规技术手段，本技术不做具体限定和细节赘述。84.如图6所示，采用上述中子剂量和内污染快速诊断模拟训练装置进行诊断模拟训练的方法包括以下步骤s1-步骤s4：85.步骤s1：参训者戴上ar眼镜，打开诊断模拟训练装置并进入检测模拟仿真软件，选择特定的训练案例，仿真软件采用数字化建模仿真技术建立核应急医学救援中受中子剂量以及内污染核素污染的虚拟伤员；不仅可以选择受污染的部位(头部、肺部等)、也可以选择核素的种类和活度；86.步骤s2：参训者移动诊断模拟训练装置的探测器(准直器)，使其与ar眼镜中对应的虚拟实体位置保持一致，完成空间定位校准，即可开始仿真训练；87.步骤s3：参训者通过触摸屏来设置检测参数，按照真实的检测流程进行检测；88.步骤s4：参训者移动探测器(准直器)至仿真模型中的虚拟伤员的污染处，通过触摸屏查看检测结果。89.上述步骤s2‑‑s4，进一步地详细步骤如下：90.(1)将主机1和探测器2开机，打开空间定位跟踪器5；91.(2)参训人员首先可通过打开pc端上的仿真软件或者触摸屏，选择对应案例，仿真软件采用数字化建模仿真技术建立各种核应急医学救援中受中子剂量以及内污染核素污染的虚拟伤员；当选择特定类型的虚拟伤员后，在所选择的特定类型的虚拟伤员上设置受污染部位、受污染核素种类和活度等；本次操作以头部和肺部受核污染的病例为示例；92.(3)将ar眼镜打开，并进入检测模拟仿真软件；ar眼镜进入系统后，使用pc端或者触摸屏进入训练案例；此时ar眼镜中同步进入对应训练场景；将演示场景中的虚拟模拟器与半实物模拟探测器位置对准，并且按下半实物模拟探测器校准按钮，以此同时pc端界面或者触摸屏弹出校准完成界面，点击确认，同时点击pc或者触摸屏开始仿真训练；93.(4)使空间定位跟踪器5与ar眼镜中对应的虚拟实体位置保持一致，完成校准；94.(5)对主机中的触摸屏13进行按键选择检测方式，参训人员在戴上ar眼镜的同时用手拿起探测器并移动至虚拟伤员的头部相应位置(检测距离应符合要求)，这时ar眼镜中的虚拟探测器位置会与现实检测模拟装置探测器保持一致，并实时移动进行检测；参训人员可通过触摸屏13来查看检测结果。95.在本发明的一个实施例中，诊断模拟训练装置的主机1、准直器4、探测器2不使用时各自独立存放；使用前，将主机1和探测器2连接，准直器4和探测器2连接。96.打开触摸屏13的开机键，出现主界面(如图5a所示)，显示计数不为0后即可进行检测。本实施例以检测头部核污染的虚拟伤员为例，检测伤员中子剂量：参训人员戴上ar眼镜，看到场景中虚拟伤员躺卧，打开空间定位跟踪器并与ar眼镜中对应的虚拟实体位置保持一致，完成校准；将探测器(准直器)对准并贴紧伤员头顶中央部位；点击触摸屏主界面上的“中子剂量”按键，进入中子剂量检测界面(如图5b所示)；点击“受照射时间”右侧的“设置”按键，设置伤员受到中子照射的时间，单位为分钟；点击“照射结束到开始测量时间”右侧的“设置”按键，设置伤员中子照射结束到开始测量的时间，单位为分钟；点击“测量时间”右侧的“开始”按键，开始检测；检测结果起始为红色显示，随着时间的延长，测量计数不断增加，测量误差随之减小，检测结果逐步变为黄色、蓝色、绿色；在伤员数量较少、救治需求不急迫时，等待检测结果变为绿色时结束检测；如果伤员数量较多或救治需求急迫，则一般在检测结果变为黄色后可结束检测；点击“测量时间”右侧的“结束”按键，读取、记录中子剂量检测结果；检测时间达到20分钟后，如仍未检测到中子剂量，则停止检测；点击“返回”按键，返回主界面。关机。撤收：取下连接主机1和探测器2的电缆；主机1合拢；从探测器2前端取下准直器4；装箱保存。97.在本发明的一个实施例中，诊断模拟训练装置用于检测内污染的虚拟伤员，98.a)伤员取坐姿，将探测单元对准伤员两乳头之间的中心点，并贴紧身体；99.b)点击主界面上的“内污染”按键，进入内污染检测界面(如图5c所示)；100.c)当检测到伤员内污染时，将显示内污染核素和对应活度；101.d)检测到内污染核素后，对应的活度检测结果起始为红色显示，随着时间的延长，测量计数不断增加，测量误差随之减小，检测结果逐步变为黄色、蓝色、绿色。在伤员数量较少、救治需求不急迫时，等待检测结果变为绿色时结束检测；如果伤员数量较多或救治需求急迫，则一般在检测结果变为黄色后可结束检测；102.e)读取、记录内污染检测结果；103.f)检测时间达到20分钟后，如仍未检测到内污染核素，则停止检测；104.g)点击“返回”按键，返回主界面。105.应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。









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