一种基于力反馈的骨外科手术仿真系统技术方案

一种基于力反馈的骨外科手术仿真系统，涉及虚拟手术系统开发技术领域。本发明专利技术的目的是为了能够让用户真实的感知人体组织的生物力学特性，从而提高手术培训的效果和手术成功率。本发明专利技术包括：虚拟骨科手术模拟子系统、输入模块、力反馈模块和显示模块。虚拟骨科手术模拟子系统用于实现手术模拟过程中所需的人体组织的几何建模、网格划分、生物力学建模及其计算、碰撞检测、切割缝合及动态可视化、力反馈计算等。本发明专利技术的方案可基于visual studio开发平台，通过自主编程实现虚拟人体组织的几何建模、网格划分、生物力学建模及其计算、形变切割以及力反馈计算等。本发明专利技术能降低手术系统成本及复杂程度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于力反馈的骨外科手术仿真系统，涉及虚拟手术系统开发领 域。
技术介绍
近年来患骨科疾病的人数不断增长，吸引了国内外不少专家对治疗骨科疾病的关 注。目前在骨科手术领域所具有的种类繁多、更新快、专业性强、手术体位复杂等特点，使得 年轻的新医生难以快速地掌握骨科手术的技术。传统的医学培训主要是通过口头、视频等 教学，或者对尸体和动物做实验的方法进行，而这种方法存在着无法重复使用实验对象、培 训周期较长、培训成本较高、并存在着伦理道德方面的争议等缺点。 随着虚拟现实技术的发展与有限元技术的结合，使得虚拟手术技术应运而生。 现阶段有一些相关领域的研究成果，比如日本名古屋大学开发的3D手术仿真系统，美国 Intuitive Surgical公司开发的Da Vinci外科机器人系统等，这些系统的价格昂贵，无法 普及到国内各个医疗培训机构。国内的一些研究单位对虚拟手术系统开发的研究处于起步 阶段，主要集中在三维重建和人体组织的生物力学建模上，而针对于骨外科手术的培训系 统更是甚少，大部分还是利用几套现有的商业软件进行手术仿真。文献号为CN101996507B 的专利技术专利公开了一种"构建外科虚拟手术教学及训练系统的方法"，包括DICOM数据的采 集、几何建模、计算建模、碰撞检测、可视化、评定系统等内容。该手术系统可应用于普通外 科、骨外科和耳鼻喉科模拟手术培训、手术预演以及临床诊断等，但该手术系统的建立过程 中缺少力反馈模块，因此缺乏虚拟触觉效果，在仿真精度上还有一些提高的空间。南方医 科大学的刘永刚在博士学位论文"骨折分类三维数字化模型的建立及其在虚拟手术中的应 用"中建立了骨折分类虚拟手术系统，其中骨折的分类三维几何模型采用MMICS软件建立， 并在Freedom Modeling System的GHOST环境下实现虚拟切割和骨折复位固定等，然后利 用外部力反馈设备进行手术的模拟。该建模方法提高了虚拟手术系统的仿真精度，但是整 个过程采用几套现有的商业软件实现，因此系统的成本和复杂程度较高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于力反馈的骨外科手术仿真系统，能够让操作者真实 的感知人体组织的生物力学力学特性，从而提高手术培训的效果和手术成功率。 本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是： -种基于力反馈的骨外科手术仿真系统，所述系统包括虚拟骨科手术模拟子系统 (1)、输入模块（2)、力反馈模块（3)和显示模块（4); 其中，所述虚拟骨科手术模拟子系统（1)包括： 几何建模模块，用于导入二维断层扫描图像数据；并用于经过图像预处理后进行 骨组织、软骨和软组织的三维表面模型的建立； 网格划分模块，用于三维表面模型的面网格划分；并用于将面网格模型生成体网 格模型，实现连续的三维模型的离散化，保证能够进行后续的有限元计算； 生物力学建模及其计算模块，用于虚拟人体组织的体网格模型的材料属性赋值， 骨组织采用基于CT图像灰度值的微观生物力学模型来提高仿真精度，而软骨和软组织的 生物力学模型采用非线性超弹性方程来减少计算量；本模块还用于骨生物力学建模及其计 算过程中的CT图像灰度值的提取，并计算单元内心处的灰度值，然后根据灰度值、表观密 度、弹性模量之间的关系求得表示应力-应变关系的单元弹性矩阵；并用于软骨以及软组 织生物力学建模及其计算过程中的人体皮肤、脂肪、肌肉等组织的超弹性模型材料参数的 输入，并根据模型的参数以及超弹性材料的特点来求得表示应力-应变关系的单元弹性矩 阵；本模块还用于每个网格模型的单元刚度矩阵的计算、整体刚度矩阵的封装等；还用于 计算模型在设定固定约束和外加载荷等条件下输出的变形； 碰撞检测模块，用于判断和检测手术器械在运动的过程中是否与虚拟人体组织发 生碰撞，如果发生碰撞，则给出碰撞反应； 切割缝合以及动态可视化模块，用于计算人体组织模型切割部分的几何拓扑关 系；还用于实时刷新模型的网格节点变化，并在系统的显示设备中显示模型的变形、切割、 缝合过程； 力反馈计算模块，用于计算虚拟人体组织在发生变形和切割过程中对手术器械反 馈的力； 其中，所述的输入模块⑵包括： 图像数据输入单元，用于读取患者的二维断层扫描图像数据； 用户操作单元，用于用户与虚拟骨科手术模拟子系统之间的患者信息输入与传 递，信息包括患者的个人基本信息和虚拟人体组织模型向用户反馈的视觉信息； 其中，所述力反馈模块⑶包括： 检测单元，用于实时地将手术器械的位置信息和反馈力信息传递到虚拟骨科手术 模拟子系统（1)中； 力觉交互单元，用于用户通过仿真手术器械实际模拟演练手术，与虚拟骨科手术 模拟子系统（1)进行触觉交互； 其中，所述显示模块（4)，用于在视觉上显示整个手术的模拟过程，实现用户与虚 拟骨科手术模拟子系统（1)之间的视觉交互。 所述虚拟骨科手术模拟子系统（1)实现其功能的具体过程为： 1)几何建模模块 几何建模的过程中涉及到阈值筛选、交互式分割以及三维重建的步骤；通过阈值 筛选的过程将患者的骨、肌肉、软骨、脂肪、皮肤这些组织分别进行初步的分割；通过交互式 分割过程手动擦除和修补单张图片来提高图像分割的质量；通过三维重建的过程可将在二 维断层图像中分割出来的区域生成三维表面模型； 2)网格划分模块 网格划分过程包括面网格划分和体网格划分两个步骤；面网格划分过程是将三维 表面模型进行优化，包括：表面模型优化、平滑处理、修补漏洞；表面模型的优化通过减小 表面模型的三角面片来实现，该过程只需将相连的两个顶点合并到一个新顶点上，并延续 原有的拓扑关系；平滑处理的过程，对三维的面网格模型进行去噪；修补漏洞的过程通过 将模型当中的空洞提取成空间多边形，然后对空洞多边形进行三角化的方法实现；体网格 划分的过程是将面网格模型进行拉伸、旋转步骤来实现； 3)生物力学建模及其计算模块 a.骨生物力学建模及其计算： 骨生物力学建模及其计算模块包括骨材料属性赋值和模型计算两个步骤；骨弹性 模量的赋值过程是求出每个单兀内心处应变-应力关系矩阵S，应变与应力关系（本构方 程）如式⑴所示： ε = S · 〇 (I) 式中，ε是应变张量；σ是应力张量；S是柔度矩阵，其形式如下： 其中，Exy是X和y轴方向的弹性模量；E 2是ζ轴方向的弹性模量；μ χγ是X和y轴 方向的泊松比；μ z是z轴方向的泊松比；G χγ是X和y轴方向的剪切模量；G 2是z轴方向的 剪切模量； 柔度矩阵S中的弹性模量和剪切模量通过CT图像的灰度值与骨表观密度之间关 系、骨表观密度与弹性模量之间的关系等来获取；其中骨表观密度与弹性模量之间的关系 为骨生物力学模型，模型如式（3)所示： 式中，弹性模量E的单位是MPa ; P是表观密度，单位是g/cm3;剪切模量G的单位 是 GPa ; 表观密度与灰度值之间的关系如式（4)所示： 式中，P i，P。为骨最大、最小表观密度；H1, H。为骨最大、最小灰度值；选取P 1 = 2，P。= 0, H。= 0, H i= 2663 ;H为单元内心处灰度值，可通过六面体插值函数来求得； 骨模型的计算过程是求解平衡方程，平衡方程如式（5)所示： P = K · u (5) 式中，P是等效节点载荷列阵；K是整体刚度矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于力反馈的骨外科手术仿真系统，其特征在于：所述系统包括虚拟骨科手术模拟子系统(1)、输入模块(2)、力反馈模块(3)和显示模块(4)；其中，所述虚拟骨科手术模拟子系统(1)包括：几何建模模块，用于导入二维断层扫描图像数据；并用于经过图像预处理后进行骨组织、软骨和软组织的三维表面模型的建立；网格划分模块，用于三维表面模型的面网格划分；并用于将面网格模型生成体网格模型，实现连续的三维模型的离散化，保证能够进行后续的有限元计算；生物力学建模及其计算模块，用于虚拟人体组织的体网格模型的材料属性赋值，骨组织采用基于CT图像灰度值的微观生物力学模型来提高仿真精度，而软骨和软组织的生物力学模型采用非线性超弹性方程来减少计算量；本模块还用于骨生物力学建模及其计算过程中的CT图像灰度值的提取，并计算单元内心处的灰度值，然后根据灰度值、表观密度、弹性模量之间的关系求得表示应力‑应变关系的单元弹性矩阵；并用于软骨以及软组织生物力学建模及其计算过程中的人体皮肤、脂肪、肌肉等组织的超弹性模型材料参数的输入，并根据模型的参数以及超弹性材料的特点来求得表示应力‑应变关系的单元弹性矩阵；本模块还用于每个网格模型的单元刚度矩阵的计算、整体刚度矩阵的封装等；还用于计算模型在设定固定约束和外加载荷等条件下输出的变形；碰撞检测模块，用于判断和检测手术器械在运动的过程中是否与虚拟人体组织发生碰撞，如果发生碰撞，则给出碰撞反应；切割缝合以及动态可视化模块，用于计算人体组织模型切割部分的几何拓扑关系；还用于实时刷新模型的网格节点变化，并在系统的显示设备中显示模型的变形、切割、缝合过程；力反馈计算模块，用于计算虚拟人体组织在发生变形和切割过程中对手术器械反馈的力；其中，所述的输入模块(2)包括：图像数据输入单元，用于读取患者的二维断层扫描图像数据；用户操作单元，用于用户与虚拟骨科手术模拟子系统之间的患者信息输入与传递，信息包括患者的个人基本信息和虚拟人体组织模型向用户反馈的视觉信息；其中，所述力反馈模块(3)包括：检测单元，用于实时地将手术器械的位置信息和反馈力信息传递到虚拟骨科手术模拟子系统(1)中；力觉交互单元，用于用户通过仿真手术器械实际模拟演练手术，与虚拟骨科手术模拟子系统(1)进行触觉交互；其中，所述显示模块(4)，用于在视觉上显示整个手术的模拟过程，实现用户与虚拟骨科手术模拟子系统(1)之间的视觉交互。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王沫楠，安贤俊，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23