虛擬膝關節(jié)鏡游離體摘除術的夾持預判與仿真.pdf

1、在膝關節(jié)傷病治療中，游離體摘除術是較為常見，也是最適合關節(jié)鏡下處理的膝關節(jié)手術之一。但是膝關節(jié)鏡手術操作難度高、培訓手段缺乏且周期長，使得其普及受到限制。傳統(tǒng)的關節(jié)鏡手術培訓有成本高、可重復使用率低等缺點，由于虛擬手術系統(tǒng)具有視覺模擬、人機交互，甚至力覺、聽覺反饋等功能，該仿真系統(tǒng)的出現(xiàn)一定程度上緩解了培訓醫(yī)生的問題。
　　對于膝關節(jié)鏡游離體摘除術，最為關鍵的步驟就是夾持游離體并移出體外。為了在虛擬手術系統(tǒng)中提高視覺仿真的逼真度、

2、完善行為模型以及改善實時性和精確性相矛盾的問題，本文以膝關節(jié)鏡游離體摘除術為研究對象，對虛擬膝關節(jié)鏡手術系統(tǒng)中的視覺和碰撞模型的建立、實時碰撞檢測以及夾持預判等關鍵技術進行了研究。本文主要研究內容如下:
　　(1)人體膝部三維模型重建。本文使用人體膝關節(jié)MRI醫(yī)學數(shù)據(jù)序列圖像，進行圖像預處理、圖像分割和三維重建，并對重建模型進行表面光滑處理和網(wǎng)格劃分。對游離體標本圖像進行橢圓擬合，建立橢圓體的視覺和碰撞模型能夠滿足游離體摘除術中游

3、離體的仿真模擬。所建立的視覺和力學模型較真實地放映現(xiàn)實，提高了虛擬手術仿真系統(tǒng)中的沉浸感。
　　(2)碰撞分析。通過假設游離體為剛體可平移的橢圓體，對虛擬膝關節(jié)游離體和手術器械進行夾取動作分析和碰撞分析。采用基于點、線、面和AABB包圍盒混合的光線跟蹤碰撞檢測算法，并使用八叉樹建立包圍盒。進行游離體與藍鉗的碰撞響應分析，反饋出碰撞點和碰撞力信息。采用的混合碰撞檢測算法提高了運算速度，改善了碰撞檢測的實時性和準確性;碰撞響應算法反饋

4、的信息為下一步預判提供了基礎。
　　(3)夾持預判。根據(jù)夾取的碰撞檢測算法判斷出夾取虛擬游離體成功后，并以游離體與藍鉗碰撞響應所反饋的碰撞點和碰撞力的信息，在手術中靜止平衡狀態(tài)下對藍鉗夾取游離體進行受力分析，實現(xiàn)游離體夾持是否成功的預判算法，提高了虛擬膝關節(jié)鏡游離體摘除術培訓醫(yī)生手術操作的可行性。
　　(4)實驗仿真?；谝陨涎芯块_發(fā)一個原型實驗系統(tǒng)，本文通過醫(yī)學仿真軟件SOFA開發(fā)的一個帶有力反饋虛擬膝關節(jié)鏡游離體摘除術系