虛擬膝關(guān)節(jié)鏡游離體摘除術(shù)的夾持預(yù)判與仿真.pdf

1、在膝關(guān)節(jié)傷病治療中，游離體摘除術(shù)是較為常見，也是最適合關(guān)節(jié)鏡下處理的膝關(guān)節(jié)手術(shù)之一。但是膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)操作難度高、培訓(xùn)手段缺乏且周期長(zhǎng)，使得其普及受到限制。傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)鏡手術(shù)培訓(xùn)有成本高、可重復(fù)使用率低等缺點(diǎn)，由于虛擬手術(shù)系統(tǒng)具有視覺模擬、人機(jī)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(xùn)醫(yī)生的問題。
　　對(duì)于膝關(guān)節(jié)鏡游離體摘除術(shù)，最為關(guān)鍵的步驟就是夾持游離體并移出體外。為了在虛擬手術(shù)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(shí)時(shí)性和精確性相矛盾的問題，本文以膝關(guān)節(jié)鏡游離體摘除術(shù)為研究對(duì)象，對(duì)虛擬膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)系統(tǒng)中的視覺和碰撞模型的建立、實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)以及夾持預(yù)判等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)人體膝部三維模型重建。本文使用人體膝關(guān)節(jié)MRI醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)序列圖像，進(jìn)行圖像預(yù)處理、圖像分割和三維重建，并對(duì)重建模型進(jìn)行表面光滑處理和網(wǎng)格劃分。對(duì)游離體標(biāo)本圖像進(jìn)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(shù)中游

3、離體的仿真模擬。所建立的視覺和力學(xué)模型較真實(shí)地放映現(xiàn)實(shí)，提高了虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)中的沉浸感。
　　(2)碰撞分析。通過假設(shè)游離體為剛體可平移的橢圓體，對(duì)虛擬膝關(guān)節(jié)游離體和手術(shù)器械進(jìn)行夾取動(dòng)作分析和碰撞分析。采用基于點(diǎn)、線、面和AABB包圍盒混合的光線跟蹤碰撞檢測(cè)算法，并使用八叉樹建立包圍盒。進(jìn)行游離體與藍(lán)鉗的碰撞響應(yīng)分析，反饋出碰撞點(diǎn)和碰撞力信息。采用的混合碰撞檢測(cè)算法提高了運(yùn)算速度，改善了碰撞檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性;碰撞響應(yīng)算法反饋

4、的信息為下一步預(yù)判提供了基礎(chǔ)。
　　(3)夾持預(yù)判。根據(jù)夾取的碰撞檢測(cè)算法判斷出夾取虛擬游離體成功后，并以游離體與藍(lán)鉗碰撞響應(yīng)所反饋的碰撞點(diǎn)和碰撞力的信息，在手術(shù)中靜止平衡狀態(tài)下對(duì)藍(lán)鉗夾取游離體進(jìn)行受力分析，實(shí)現(xiàn)游離體夾持是否成功的預(yù)判算法，提高了虛擬膝關(guān)節(jié)鏡游離體摘除術(shù)培訓(xùn)醫(yī)生手術(shù)操作的可行性。
　　(4)實(shí)驗(yàn)仿真?；谝陨涎芯块_發(fā)一個(gè)原型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本文通過醫(yī)學(xué)仿真軟件SOFA開發(fā)的一個(gè)帶有力反饋虛擬膝關(guān)節(jié)鏡游離體摘除術(shù)系