基于虛擬現(xiàn)實技術的手術系統(tǒng)采用視覺和觸覺雙重反饋機制,能夠為手術訓練者提供沉浸感很強的訓練環(huán)境,從而提高手術受訓者的訓練效果和縮短訓練周期,具有重要的研究意義和實用價值。本文在分析椎弓根釘手術訓練置釘準確率和系統(tǒng)相關功能模塊的基礎上,完成了系統(tǒng)整體框架設計;使用三角網(wǎng)格優(yōu)化算法簡化網(wǎng)格數(shù)目,并借助面繪制算法實現(xiàn)了對椎弓根骨骼的重建,設計完成了骨骼與鉆頭間的碰撞檢測;對鉆削模型和麻花鉆參數(shù)進行分析,重點設計實現(xiàn)了骨骼鉆削的觸覺反饋算法;最后完成了整個系統(tǒng)的軟件設計實現(xiàn)與測試。本文的創(chuàng)新之處在于設計并優(yōu)化了椎弓根釘?shù)挠|覺反饋算法,通過使用骨骼CT灰度數(shù)據(jù)代替原力覺模型的密度數(shù)據(jù),實現(xiàn)了鉆削過程中的實時力覺信號反饋,使系統(tǒng)產(chǎn)生的力信號更具實時性和準確性;此外在骨骼等模型重建設計中,使用優(yōu)化的局部重心度量邊折疊三角網(wǎng)格簡化算法,實現(xiàn)了對骨骼模型三角網(wǎng)格數(shù)目的縮減,提高了面繪制算法模型重建的速度。本文主要研究工作如下:(1)完成了基于虛擬現(xiàn)實觸覺反饋技術的椎弓根釘手術訓練系統(tǒng)的總體設計和功能模塊分析。根據(jù)醫(yī)生椎弓根釘手術難點,分析系統(tǒng)功能需求,設計椎弓根釘手術三維重建模塊、碰撞檢測模塊、觸覺反饋模塊和手術訓練導航等模塊,完成了椎弓根釘手術訓練系統(tǒng)的整體框架設計。(2)設計實現(xiàn)了系統(tǒng)三維重建及碰撞檢測功能模塊。通過優(yōu)化基于局部重心度量邊折疊算法縮減三角網(wǎng)格數(shù)目,減少模型三維重建的時間;再使用區(qū)域z緩存等技術優(yōu)化了軸向平行包圍盒AABB算法,提高模型間碰撞檢測的效率。(3)設計實現(xiàn)了用于力覺交互的觸覺反饋算法。通過對麻花鉆鉆削骨骼力覺模型的分析,推導出本文麻花鉆鉆削受力模型;與傳統(tǒng)的利用骨骼密度的通用數(shù)據(jù)來計算反饋力大的小不同,通過本文算法模型中替代密度參數(shù)的CT真實骨骼灰度數(shù)據(jù),使得力覺反饋信息更具實時性和準確性。(4)完成了椎弓根手術訓練系統(tǒng)的軟件設計實現(xiàn)與測試。在椎弓根釘手術訓練系統(tǒng)軟件的整體架構(gòu)和總體功能設計的基礎上,完成了椎弓根釘操作界面設計、椎弓根骨骼等模型的三維重建和手術步驟虛擬實現(xiàn),并對系統(tǒng)功能模塊進行了測試。
【學位單位】：武漢理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：R687;TP391.9
【部分圖文】：

變選擇不同的物理模型來進行代替[16]。第三入到仿真系統(tǒng)中，比如血管發(fā)生破裂會對血壓官的部分功能；腫瘤的存在可能會對周圍部分三代醫(yī)學仿真手術是醫(yī)學仿真系統(tǒng)最終的研人體組織的生理功能�，F(xiàn)在的虛擬手術研究還特性進行研究并應用于系統(tǒng)中這一階段[18]。如圖 1-1 所示。

圖 1-2 椎弓根釘手術訓練系統(tǒng)所需的部分關鍵技術框圖椎弓根釘手術訓練系統(tǒng)主要包括椎弓根骨骼等模型的三維面繪制三維重建技術、骨骼與鉆頭等模型的碰撞檢測技術以及碰撞觸覺反饋技術等。1.3.1 三維重建技術醫(yī)學圖像三維重建算法有體素的三維重建和基于模型最外層組織重建�；隗w素的三維重建就是體繪制，體繪制主要是投影圖像從體數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換而成。它將離散的三維數(shù)據(jù)變換為二維數(shù)據(jù)，再利用三維重建算法重建所需的模型。和面繪制三維重建算法相比，體繪制三維重建算法的突出特點是保存了體數(shù)據(jù)的內(nèi)部信息以及更細節(jié)的結(jié)構(gòu)，成像質(zhì)量非常高。體繪制依賴于光學模型完成對體數(shù)據(jù)標量值進行顏色和透明度等光學特性的映射，通過對體素的光學特性按一定規(guī)則形成重建的圖像。體數(shù)據(jù)的采樣點集組合構(gòu)成三維空間網(wǎng)格。獲得體數(shù)據(jù)的方式有兩種：一是經(jīng)過儀器測量的數(shù)據(jù)，主要是使用 CT、MRI 等掃描設備得到的醫(yī)學圖像體數(shù)據(jù)；另一個方法是通過計算機獲取的，比如通過數(shù)

根據(jù)此點的坐標判斷兩物體的交互情況。碰撞的檢測效率會到后面模型間交互力覺信號的計算。3.3 觸覺反饋技術觸覺反饋技術是虛擬手術系統(tǒng)三維重建模型間交互的一個重要的功能，其作用是使手術系統(tǒng)能夠?qū)μ摂M手術中模型間相互作用產(chǎn)生力覺感知[3覺或者說是觸覺，是人體具有可以傳遞和反饋信息能力的承載物[37]。使用反饋設備，系統(tǒng)使用者可真正實現(xiàn)人機交互，通過與計算機屏幕上進行三建后的虛擬物體“觸摸”接觸，使操作者感覺接觸到的是現(xiàn)實生活中的物觸覺感知是一個系統(tǒng)反饋力覺信號的過程，實現(xiàn)形式是計算機將力覺信送給力反饋裝置來實現(xiàn)[38]。當收到系統(tǒng)發(fā)送的力覺信號后，力反饋設備可手術操作人員提供一個反饋力，此時模型發(fā)生碰撞的情況就會以力的形式到手術訓練者的手上，使其感受到物體間發(fā)生碰撞交互的效果，接觸真實的觸覺感知如圖 1-4 所示。
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