基于力反馈的脊柱手术仿真系统研究与实现

admin · 发表于 2022-9-15 14:24:30

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虚拟手术是集医学、生物力学、计算机图形学、计算机视觉、机械力学、机器人等诸多学科于一体的新兴交叉研究领域。近年来，随着信息技术和医疗技术的飞速发展，虚拟手术作为虚拟现实技术在医疗领域的一项重要应用，在临床手术的术前诊断、手术方案规划和手术操作训练中起到了越来越重要的作用。本论文的课题来自于首都医科大学宣武医院所承担的国家重点实验室开放课题《基于虚拟现实技术的脊柱内固定手术训练方法和研究》，针对脊柱内固定手术的方案设计、优化和演练，展开了基于力反馈技术的虚拟脊柱手术仿真系统研究。在脊柱疾病的治疗中，椎弓根螺钉内固定手术成为目前最有效的治疗手段。但是由于椎弓根的解剖结构特点，钉道加工过程的偏差会导致严重的后果，神经外科医生需要在术前制定详细的手术方案，寻找正确的进钉位置和和进钉方向。我们希望利用医学图像可视化技术和力觉反馈技术，为神经外科医生提供一个虚拟手术平台，使其能在术前通过力觉设备模拟手术中的钻孔过程，从而对手术方案进行调整，以提高手术精度和手术的安全性。然而高真实感的触觉仿真需要建立在高质量的生物力学模型基础之上，目前尚没有一个适用于脊柱内固定手术钻孔过程仿真的骨质钻削力学模型，所以我们尝试通过力学实验，建立一个完整的力学模型并应用到脊柱内固定手术仿真系统中，为神经外科医生提供高质量的钻孔过程触力觉仿真。本文提出了一种基于钻削实验和经验公式构建触觉仿真力学模型的方法，通过设计和构建一个钻削实验系统并进行骨质钻削实验，建立了松质骨和皮质骨的钻削力/扭矩经验公式，并对钻削过程中钻头的受力情况进行理论分析，在经验公式的基础上给出了钻削力和扭矩的理论计算模型。为了将力学模型的计算结果平稳地输出到力反馈设备上，我们给出了将已构建的物理模型应用到触觉绘制中的方法，利用基于代理点的触觉直接体绘制算法进行触觉显示，实现了钻孔过程的触觉仿真。我们构建了一个脊柱内固定手术仿真平台，实现了医学图像的三维可视化、医学图像的交互测量、椎弓根螺钉钉道规划等功能，并在此基础上将我们的触觉反馈算法应用到系统中，为神经外科医生提供了一个术前诊断、规划和手术演练的平台。

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