【摘要】：目的:建立高度真實(shí)感的脊柱外科虛擬手術(shù)環(huán)境;構(gòu)建手術(shù)操作力與參數(shù)間的本構(gòu)函數(shù)方程,通過組織形變仿真來實(shí)時模擬脊柱手術(shù)過程;分析該系統(tǒng)對用戶實(shí)際手術(shù)技能的影響。第一部分虛擬手術(shù)環(huán)境構(gòu)建方法:1.本研究所需要的尸體標(biāo)本來自第二軍醫(yī)大學(xué)解剖教研室,總共10具,男性5具,平均年齡60歲,身高172厘米,體重73千克,女性5具,平均年齡55歲,身高162厘米,體重53千克。2.將標(biāo)本經(jīng)256排CT掃描,然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到項目組計算機(jī)中。3.用DICOM查看器讀取CT數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換為JPEG格式,用ACDSee9.0將圖像轉(zhuǎn)換成BMP格式。4.用Mimics10.0進(jìn)行圖像分割與三維重建,生成三維可視化脊柱模型。5.通過marching cube算法對脊柱模型進(jìn)行幾何建模,模型重建后經(jīng)3dMax軟件對其進(jìn)行材質(zhì)編輯以實(shí)現(xiàn)模型的紋理渲染。6.采用游標(biāo)卡尺測量常用工具,獲取工具參數(shù),使用CAD軟件對虛擬手術(shù)工具進(jìn)行三維建模,然后對其進(jìn)行不同程度的材質(zhì)編輯和貼圖渲染。7.將脊柱三維重建模型和工具模型分別導(dǎo)入到FreeForm Modeling System中,建立脊柱外科虛擬手術(shù)環(huán)境。結(jié)果:1.成功制作出脊柱標(biāo)本,經(jīng)256排螺旋CT薄層掃描獲得964層圖像,數(shù)據(jù)共507MB。2.絕大部分BMP格式數(shù)據(jù)滿意,有少數(shù)分割效果不好的通過后期調(diào)節(jié)閾值大小進(jìn)行修正,效果滿意。3.重建后的脊柱模型,可以在三維空間上放大和縮小,可以任意角度旋轉(zhuǎn)、測量,全方位地觀察脊柱的解剖結(jié)構(gòu)。4.構(gòu)建的手術(shù)工具三維模型具有逼真的形態(tài),通過操縱桿可以任意操縱工具做各種外科操作。5.在建立的虛擬環(huán)境中,脊柱模型及手術(shù)工具具有很強(qiáng)的立體感,逼真的形態(tài),可隨意操縱虛擬手術(shù)工具,實(shí)現(xiàn)在脊柱目標(biāo)部位進(jìn)行相關(guān)的虛擬手術(shù)操作。結(jié)論:使用圖像處理軟件Mimics10.0可對CT數(shù)據(jù)從輸入到輸出的多環(huán)節(jié)進(jìn)行修改干預(yù)。通過設(shè)置三維重建的參數(shù)可以控制重建模型質(zhì)量,獲得脊柱精確平滑的三維模型。在建立的虛擬環(huán)境中,脊柱模型及手術(shù)工具具有很強(qiáng)的立體感,逼真的形態(tài),操作者可以隨意操縱虛擬手術(shù)工具模擬真實(shí)手術(shù)過程,具有很強(qiáng)的真實(shí)感、沉浸感、交互性。第二部分構(gòu)建基于力反饋技術(shù)的脊柱外虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)方法:1.手術(shù)操作力數(shù)據(jù)分析與力模型創(chuàng)建(1)本項目鉆骨力測量實(shí)驗平臺是由數(shù)控機(jī)床,KISTLER精密測力儀與數(shù)據(jù)采集卡,數(shù)據(jù)采集與分析軟件、信號放大器組成。(2)采用KISTLER精密測力儀與數(shù)據(jù)采集卡,經(jīng)數(shù)據(jù)采集與分析軟件,測量鉆削等操作時真實(shí)的操作力和力矩。(3)將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)去噪處理后進(jìn)行統(tǒng)計分析,建立多元回歸預(yù)測模型,對影響因素(自變量)和操作力(因變量)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析處理,確定因變量與自變量間的相關(guān)度,構(gòu)建手術(shù)操作力與影響參數(shù)間本構(gòu)函數(shù)方程。(4)確定操作力與各個影響參數(shù)間的關(guān)系,建立輸入?yún)?shù)與輸出反饋力間的本構(gòu)函數(shù)方程,得到真實(shí)操作力的計算依據(jù)。2.碰撞檢測與形變模擬(1)根據(jù)工具表面形態(tài)特征,將工具模型離散為多點(diǎn)目標(biāo),實(shí)時檢測骨組織體素模型與工具點(diǎn)集間的空間關(guān)系,記錄與骨組織體素模型發(fā)生空間干涉的目標(biāo)點(diǎn)集;(2)通過計算工具在當(dāng)前位置與前一位置間的位置變換矢量,結(jié)合操作力本構(gòu)函數(shù)方程,分別計算已發(fā)生干涉的各個目標(biāo)點(diǎn)所產(chǎn)生的操作力,依據(jù)各目標(biāo)點(diǎn)的空間矢量坐標(biāo),計算總的操作力并予以反饋;(3)構(gòu)建基于固定方向凸包包圍盒層次,將那些與工具目標(biāo)點(diǎn)集發(fā)生干涉的骨組織體素予以刪除,模擬組織形變。3.脊柱外科虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)(1)將虛擬環(huán)境構(gòu)建、形變模擬和力反饋模擬等各大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行整合,將各關(guān)鍵算法進(jìn)行模塊化軟件實(shí)現(xiàn);(2)基于VC2008開發(fā)平臺,選用OpenGL作為圖形圖像函數(shù)庫,采用Qt跨平臺開發(fā)庫完成交互式界面設(shè)計,并通過DLL動態(tài)鏈接庫和COM組件技術(shù)對各功能軟件模塊進(jìn)行封裝實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無縫集成。(3)選用瑞士ForceDimension公司的Omega7作為力反饋設(shè)備結(jié)果:1.我們創(chuàng)建的鉆骨力測量實(shí)驗平臺,可通過實(shí)驗平臺的測力儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量出脊椎標(biāo)本上椎弓根釘植入術(shù)時的手術(shù)操作力并可以實(shí)時記錄。經(jīng)實(shí)驗平臺中專用的數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行分析處理。2.鉆削力及力矩隨著進(jìn)給速度增加而增大,但隨著主軸鉆速和鉆頭直徑的增大而減小。3.通過回歸分析得出:F = 77.42 ×d1.294Di0.317Vs-0.472Vf0.424(1)M = 0.056×d0.539Di2.371Vs0.106Vf0.024(N·m)(2)初步的鉆骨力預(yù)測模型如下:F = 6.45 + 0.31Vfeed-4.7Vrot + 7.8Vfeed2+ 5.2V2t-6.1Wfeed·Vrot其中F為軸向鉆骨力,Vfeed為手術(shù)鉆的進(jìn)給速度,Vrot為手術(shù)鉆的主軸鉆速。4.通過多點(diǎn)碰撞檢測算法避免了骨密度不均勻時力反饋計算的不連續(xù)和失真性問題,提高了形變模擬時的反饋力計算的真實(shí)性和穩(wěn)定性。5.課題組通過上述工作開發(fā)出一套具有力觸覺反饋功能的脊柱外科虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)力反饋設(shè)備,可將逼真的力道從手掌傳達(dá)到操作者的手臂,可準(zhǔn)確測量出三維空間中手掌的移動與轉(zhuǎn)動。骨組織能夠在外力作用下產(chǎn)生逼真沒有臺階感的形變。通過3D眼鏡操作者可體驗到沉浸式的虛擬視覺效果,實(shí)現(xiàn)視覺和力觸覺的交互模擬。結(jié)論:我們對所得數(shù)據(jù)回歸分析得到了手術(shù)操作力與參數(shù)間的本構(gòu)函數(shù)方程:F = 6.45 + 0.3 1Vfeed-4.7Vrot + 7.8Vfeed2 + 5.2Vrot2-6.1Vfeed·Vrot基于多點(diǎn)碰撞檢測算法使力反饋計算連續(xù)逼真,該虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)通過力反饋設(shè)備,可將逼真的力道從手掌傳達(dá)到操作者的手臂,逼真模擬出在用手術(shù)工具對骨組織操作時而產(chǎn)生的骨組織形變,通過3D眼鏡操作者可體驗到沉浸式的虛擬視覺效果,實(shí)現(xiàn)視覺和力觸覺的交互模擬。第三部分虛擬手術(shù)輔助系統(tǒng)性能評估方法:1.通過記錄系統(tǒng)中虛擬鉆骨操作過程的操作參數(shù)和虛擬反饋力,將其與同條件下的真實(shí)手術(shù)操作數(shù)據(jù)對比,檢驗系統(tǒng)的可信度。2.通過問卷調(diào)查,檢驗系統(tǒng)是否達(dá)到其預(yù)期設(shè)計目的。3.通過對照組對比操作試驗,分別記錄分析兩組受訓(xùn)者在虛擬訓(xùn)練前后的實(shí)體模型操作數(shù)據(jù),對比它們之間的差異,從而評價系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)效度。4.設(shè)定定量評價指標(biāo),用虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)對受訓(xùn)者進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練,分析操作者經(jīng)過訓(xùn)練后在實(shí)際模型上操作的數(shù)據(jù)變化,從而評價其轉(zhuǎn)化效度。結(jié)果:1.實(shí)際測量數(shù)據(jù)和理論數(shù)值不完全一致,但實(shí)際測量結(jié)果在我們理論數(shù)值的上下波動,呈正態(tài)分布,因此可以認(rèn)為,我們的虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)的主軸力和扭矩模擬結(jié)果具有很高的信度。2.在給出的三個評價指標(biāo)中,醫(yī)學(xué)院研究生和高年資醫(yī)生均給出了“優(yōu)良”的評價,說明該訓(xùn)練系統(tǒng)具有很高的表面效度,但在系統(tǒng)在模擬細(xì)節(jié)方面還有提升的空間,對新手有更加良好的訓(xùn)練效果。3.不同水平的醫(yī)生經(jīng)過該系統(tǒng)反復(fù)訓(xùn)練后,實(shí)際手術(shù)技能均有不同程度的提高,高年資醫(yī)生的實(shí)際操作水平比低年資醫(yī)生好。4.操作者通過在虛擬手術(shù)的反復(fù)訓(xùn)練可以提高其操作技能和手術(shù)熟練度,可以將手術(shù)訓(xùn)練效果有效地轉(zhuǎn)化為手術(shù)經(jīng)驗。具有很高的轉(zhuǎn)化效度。結(jié)論:本課題組構(gòu)建的脊柱外科虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)可以精確性地模擬實(shí)際手術(shù)中鉆骨操作的力觸覺,逼真地模擬出實(shí)際手術(shù)中的“手感”,訓(xùn)練系統(tǒng)視覺真實(shí),力觸覺反饋穩(wěn)定迅速,可以逼真地還原手術(shù)現(xiàn)場,通過該系統(tǒng)訓(xùn)練可以將手術(shù)訓(xùn)練效果有效地轉(zhuǎn)化為手術(shù)經(jīng)驗�？梢詤^(qū)分不同水平的使用者。具有很高的信度、表面效度、結(jié)果效度和轉(zhuǎn)化效度。但在模擬細(xì)節(jié)方面還有提升的空間,對新手有更加良好的訓(xùn)練效果。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：第二軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：R687;TP391.9

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2412415