《電子技術應用》
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基于力反饋的虛擬脊柱手術模擬系統的構建
來源:電子技術應用2013年第12期
盛國棟, 曹其新
上海交通大學 機械與動力工程學院,上海200240
摘要: 針對醫學手術排練演習和手術教學開發了虛擬脊柱手術模擬平臺。在該平臺上能夠根據手術的真實環境,模擬常用手術器械和脊柱結構,實現人機實時交互。詳細介紹了系統的硬件環境參數,并基于3DS MAX的建模和力觸覺渲染引擎CHAI 3D進行仿真。仿真實驗結果表明,基于力反饋的虛擬脊柱手術模擬系統可以有效地模擬脊柱手術時的力反饋狀態,幫助醫師進行脊柱手術術前訓練,并適用于高校的醫學教學和醫療機構人員的培訓。
中圖分類號: TP391.9
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2013)12-0129-03
Construction of virtual spinal surgery simulation system based on force feedback
Sheng Guodong, Cao Qixin
School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China
Abstract: A virtual system for spinal surgery has been developed for medical surgical practice and surgery teaching of minimally invasive surgical skills. It can simulate the commonly used surgical instruments as well as the spine structure, achieving real-time human-computer interactions. Hardware parameters of the system was introduced in detail, and the surgery simulation was done based on 3DS MAX modeling and the haptic rendering engine(CHAI 3D). The simulation results show that: virtual spinal surgery simulation system based on force feedback can effectively simulate the state of force feedback during the spinal surgery. It can help surgeon in preoperative training and it is suitable for teaching in medical universities and medical personnel training.
Key words : virtual surgery; model building; collision detection; force feedback

    現代科學技術的發展越來越體現多門學科的交叉和滲透。虛擬手術(Virtual Surgery)作為正在發展的研究方向,是集醫學、生物力學、機械學、材料學、計算機圖形學、計算機視覺、數學分析、機械力學、材料學、機器人等諸多學科為一體的新型交叉研究領域。其目的是使用計算機技術(主要是計算機圖形學與虛擬現實)來模擬、指導醫學手術所涉及的各種過程,在時間段上包括了術前、術中、術后,在實現的目的上有手術計劃制定,手術排練演習、手術教學、手術技能訓練、術中引導手術、術后康復等。

    本文利用3DS MAX建模、力觸覺渲染引擎CHAI 3D(http://www.chai3d.org/)和力覺交互設備—Omega.7,設計了一種基于力反饋的虛擬脊柱手術模擬系統,該系統不僅可以為操作者提供一個極具真實感和沉浸感的訓練環境,還能夠將力信息反饋給操作者,產生良好的臨場感效果,具有交互性、可重復性、無損傷性等優點,力觸覺反饋效果良好,可以為醫師提供脊柱手術術前訓練,適用于高校的醫學教學和醫療機構人員的培訓。
1 系統整體結構和設計方案
 基于力反饋的虛擬脊柱手術模擬系統的結構如圖1所示,其中Omega.7 是整個系統的核心設備,其主要功能是將人手運動的位置信息發送至虛擬仿真環境,并將虛擬環境中生成的力信息反饋給操作者。主控計算機在CHAI 3D環境中,完成脊柱和手術工具的建模,并基于碰撞檢測完成接觸力的計算和仿真圖形的更新;操作者通過Omega.7的力反饋和顯示設備的視覺反饋,可以準確地操作虛擬工具進行手術,進而實現人機交互。

2 虛擬環境的構造
2.1 脊柱模型的多邊形建模方法

    脊柱模型的建模方法,包括MRI掃描建模[1]、CT掃描建模[2]和依據實體模型的直接建模方法等。由于MRI法和CT法成本較高,且直接建模方法能夠滿足手術模擬的需要,因此選用直接建模的方法來建立脊柱的3D模型,建模環境為3DS MAX 2013。采用多邊形建模方法,圖2(a)所示為依據實體模型,圖2(b)所示為建立分布稀疏得當的網格模型,圖2(c)所示為經過網格平滑后得到的較為逼真的脊柱三維模型。

2.3 AABB碰撞檢測
    碰撞檢測是手術模擬系統中能夠獲得良好力反饋效果的前提條件,本系統采用AABB(Axis-Aligned Bounding Box)碰撞檢測方法[5-6]。AABB是進行碰撞檢測的三維幾何體的外接平行六面體,每條邊都平行于坐標軸。AABB內的任一點坐標P(x,y,z)都需要滿足如下條件:
  
 
4 系統實驗仿真
4.1 實驗平臺

    基于以上設計方案,搭建了系統實驗平臺,如圖5所示。以椎弓根穿刺手術為例 [7],由于手術的穿刺區域非常狹小,非常容易發生操作失誤進而損傷椎管內的脊髓。本系統中操作者通過操作Omega.7來控制仿真環境中的虛擬手術器械,將手術工具穿入椎體。計算機會根據碰撞檢測算法計算出接觸力,并反饋至操作者,同時,手術工具的實時位置也會通過顯示設備反饋至操作者,從而達到手術模擬的目的[8]。

4.2 實驗結果
    圖6(a)所示為正確的穿刺區域,手術時不能損傷椎管內骨髓,同時也不能穿出脊柱外壁。圖6(b)和圖6(c)分別顯示了模擬椎弓根穿刺手術中的正確操作和錯誤操作方式。圖6(b)中手術器械沿著正確的穿刺區域進入椎體,整個穿刺過程中,操作者都能感到持續的反饋力,而圖6(c)中手術器械穿入椎管,操作者可明顯感受到力反饋的突變。操作者通過這種力反饋的不同,進而達到訓練和教學的目的,不同操作的力反饋情況如圖7所示。

 

 

    本文介紹了一種基于力反饋的虛擬脊柱手術模擬系統,此虛擬系統可以建立形象的脊柱模型和手術器械,配合力反饋設備,醫生能夠與虛擬手術環境中的對象進行實時交互。該系統為醫生提供了一套訓練平臺,對虛擬手術技術的研究和醫務人員的培訓都作出了一定貢獻。
參考文獻
[1] MARSH A, SIMISTIRA F,ROBB R. VR in medicine:vir tual colonoscopy[J]. Future Generation Computer Systems,1998(14):253-264.
[2] TSAI M D,HSIEH M S,JOU S B. Virtual reality orthopedic surgery simulator[J]. Comput Biol. Med.,2001,31(5):49-51.
[3] KADLECEK P. Overview of current developments in haptic  APIs[C]. The 15th Central European Seminar on Computer  Graphics, 2011.
[4] KADLECEK P. A practical survey of haptic APIs. BSc Thesis[D]. Prague Charles University,2010.
[5] 鄭旭. 三維物體碰撞檢測包圍盒算法分析[J]. 現代商貿工業,2010(2):266-267.
[6] 王曉榮,王萌,李春貴. 基于AABB包圍盒的碰撞檢測算法的研究[J]. 計算機工程與科學, 2010,32(4):59-61.
[7] TIMO L,DIETRICH S,KIRSTI M. Improved accuracy of  pedicle screw insertion with computer-assisted surgery[J].A  Prospective Clinical Trial of 30 Patients,Spine,1997,22(11):1254-1258.
[8] 鐘勝河,朱浩. 基于生物電阻抗測量椎弓根螺釘植入手術導航系統[J].電子技術應用, 2013,39(4):112-114.

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