钻孔手术的模拟方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术适用于虚拟现实技术领域，提供了钻孔手术的模拟方法及虚拟现实系统，包括：初始化三维骨骼模型，所述三维骨骼模型的数据结构包括表面网格数据和体素数据，所述体素数据包括体素的材料，所述材料包括骨密质和骨松质；在模拟钻孔的过程中，基于dF

Simulation method and device for drilling operation

The invention is applicable to the field of virtual reality technology, provides a simulation method of drilling operation and virtual reality system, including: initialize the 3D skeleton model, data structure of the 3D skeleton model including surface mesh data and voxel data, the voxel data including material voxel, the material including cancellous bone and cancellous bone; in the process of drilling simulation, based on dF

【技术实现步骤摘要】
钻孔手术的模拟方法及装置
本专利技术属于虚拟现实
，尤其涉及钻孔手术的模拟方法及装置。
技术介绍
钻孔是外科手术的基本技能，在钻孔中会用到不同结构、尺寸的工具，但其目的都是为了钻出小孔，然后将螺钉放入其中，而假如钻孔不恰当，则会引起并发症或其他严重后果，例如，在治疗骨折的外科手术中，医生需要钻几个孔并用螺钉固定骨折部位，由于骨折部位本来就很脆弱，因此在这种情况下，钻孔需要十分小心，并且要严格遵循钻孔路径，以避免二次伤害；又例如，椎弓根钉植入，手术部位有很多重要的神经和血管，即便是十分微小的偏移，也有可能出现不可预见的医疗事故。因此，在外科手术中，对钻孔的精确度要求很高，而对钻孔技能的训练也一直是医学院或者医院所头疼的问题。尽管虚拟现实的系统可以提供低成本、安全和可重复的训练，但是仍缺少真实性和精确性。由于在钻孔的过程中，医生需要知道钻头是否已经穿过骨密质到达骨松质，或者是否已经穿透骨骼，而医生却无法查看骨骼的内部，只能凭借钻头的位置和状态来判断，因此，在训练中需要利用高精度的触觉渲染算法来模拟钻孔过程中力的变化。在目前，用于训练钻孔技能的虚拟现实系统均没有关注到不同部位骨骼的不同材料特性，缺乏真实性和精确性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供了钻孔手术的模拟方法及虚拟现实系统，以解决目前在进行钻孔手术模拟时没有考虑不同部位骨骼的不同材料特性，模拟缺乏真实性和精确性的问题。第一方面，提供了一种钻孔手术的模拟方法，包括：初始化三维骨骼模型，所述三维骨骼模型的数据结构包括表面网格数据和体素数据，所述体素数据包括体素的材料，所述材料包括骨密质和骨松质；在模拟钻孔的过程中，基于dFn＝(Kn1t1+Kn2t2)dω和dFf＝(Kf1t1+Kf2t2dω对所述钻头的力进行模拟，其中，dFn为垂直于骨表面的法向力的微分，dFf为骨表面的摩擦力的微分，Kn1和Kn2分别为骨密质和骨松质上的法向切割能量系数，Kf1和Kf2分别为骨密质和骨松质上的切向切割能量系数，量纲为MPa(N/mm2)，t1和t2分别为骨密质和骨松质的切片厚度，dω为切片宽度；根据所述钻头的切割进程实时对所述三维骨骼模型进行渲染刷新。第二方面，提供了一种钻孔手术的模拟装置，包括：初始化单元，用于初始化三维骨骼模型，所述三维骨骼模型的数据结构包括表面网格数据和体素数据，所述体素数据包括体素的材料，所述材料包括骨密质和骨松质；模拟单元，用于在模拟钻孔的过程中，基于dFn＝(Kn1t1+Kn2t2)dω和dFf＝(Kf1t1+Kf2t2)dω对所述钻头的力进行模拟，其中，dFn为垂直于骨表面的法向力的微分，dFf为骨表面的摩擦力的微分，Kn1和Kn2分别为骨密质和骨松质上的法向切割能量系数，Kf1和Kf2分别为骨密质和骨松质上的切向切割能量系数，量纲为MPa(N/mm2)，t1和t2分别为骨密质和骨松质的切片厚度，dω为切片宽度；渲染刷新单元，用于根据所述钻头的切割进程实时对所述三维骨骼模型进行渲染刷新。本专利技术实施例提供的上述钻孔手术的模拟方法对骨头不同部位的不同材料特性进行了区分，很好地处理了骨物质的非均一特性，在对钻孔手术进行虚拟现实的过程中，提升了模拟的真实性和精确性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例提供的钻孔手术的模拟方法的实现流程图；图2是本专利技术实施例提供的椎弓根螺钉植入的模拟过程示意图；图3是本专利技术实施例提供的钻孔手术的模拟装置的结构框图。具体实施方式以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透切理解本专利技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本专利技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本专利技术的描述。图1示出了本专利技术实施例提供的钻孔手术的模拟方法的实现流程，详述如下：在S101中，初始化三维骨骼模型，所述三维骨骼模型的数据结构包括表面网格数据和体素数据，所述体素数据包括体素的材料，所述材料包括骨密质和骨松质。作为本专利技术的一个实施例，采用的三维骨骼模型可以为复合数据结构，其数据结构包括表面网格数据和体素数据，这两类数据具有物理连接，且随着三维骨骼模型的改变一同变化，进一步地，所述表面网格可以为三角网格。在进行三维骨骼模型的初始化时，对表面网格数据的渲染需要通过顶点列表来完成，该顶点列表中记录了表面网格的位置、颜色等信息，用于通过绘制表面网格数据实现三维骨骼模型的图像渲染；对体素数据的渲染需要通过体素列表来完成，该体素列表中记录了体素的序号、材料特性等信息，用于通过绘制体素数据实现三维骨骼模型的触觉感知渲染。在S102中，在模拟钻孔的过程中，基于dFn＝(Kn1t1+Kn2t2)dω和dFf＝(Kf1t1+Kf2t2)dω对所述钻头的力进行模拟，其中，dFn为垂直于骨表面的法向力的微分，dFf为骨表面的摩擦力的微分，Kn1和Kn2分别为骨密质和骨松质上的法向切割能量系数，Kf1和Kf2分别为骨密质和骨松质上的切向切割能量系数，量纲为MPa(N/mm2)，t1和t2分别为骨密质和骨松质的切片厚度，dω为切片宽度。由于骨骼由骨密质和骨松质构成，这两种构成的材料特性不一样，且在同一时刻的钻孔过程中，钻头切割的材料可能不止一种，需要将不同的材料特性都作为模拟时需要考虑的因素，因此，在本实施例中，获取钻头当前切割的体素所对应的材料，由此来实时获取钻头当前切割的骨材料参数。由于是倾斜钻孔，因此钻头的力可以被分解为法向力dFn和摩擦力dFf，那么相应地，骨材料参数也分为与法向力相关的骨材料参数和与摩擦力相关的骨材料参数。在进行模拟时，力的合成为dFn＝(Kn1t1+Kn2t2)dω，dFf＝(Kf1t1+Kf2t2)dω，其中，dFn是垂直于骨表面的法向力的微分，dFf是骨表面的摩擦力的微分，Kn1和Kn2分别是预设的骨密质和骨松质上的法向切割能量系数，Kf1和Kf2分别是预设的骨密质和骨松质上的切向切割能量系数，量纲为MPa(N/mm2)，t1和t2分别是骨密质和骨松质的切片厚度，dω是切片宽度。在上述力的公式中，切片厚度和切片宽度的乘积表示了切片的面积，根据机械理论，切割单位切片面积需要的能量是一个常量，将上述力的合成公式转换为全局坐标系下的公式，则力的合成为：dFr＝-dFnsinφ+Ffcosφcosψ，dFc＝dFncosφcosτ+dFfsinψsinτ+dFfsinφcosψcosτ，dFe＝dFncosφcosτ-dFfsinψsinτ+dFfsinφcosψcosτ，其中，dFr、dFc和dFe分别为所述三维骨骼模型所在三维坐标系下每个轴向方向上的力的微分，所述φ为钻头的斜削角，所述ψ为切屑流动角，所述τ为所述钻头的倾斜角。在S103中，根据所述钻头的切割进程实时对所述三维骨骼模型进行渲染刷新。在模拟钻孔的过程中，伴随着钻头工作，骨骼发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钻孔手术的模拟方法，其特征在于，包括：初始化三维骨骼模型，所述三维骨骼模型的数据结构包括表面网格数据和体素数据，所述体素数据包括体素的材料，所述材料包括骨密质和骨松质；在模拟钻孔的过程中，基于dF

【技术特征摘要】
1.一种钻孔手术的模拟方法，其特征在于，包括：初始化三维骨骼模型，所述三维骨骼模型的数据结构包括表面网格数据和体素数据，所述体素数据包括体素的材料，所述材料包括骨密质和骨松质；在模拟钻孔的过程中，基于dFn＝(Kn1t1+Kn2t2)dω和dFf＝(Kf1t1+Kf2t2dω对所述钻头的力进行模拟，其中，dFn为垂直于骨表面的法向力的微分，dFf为骨表面的摩擦力的微分，Kn1和Kn2分别为骨密质和骨松质上的法向切割能量系数，Kf1和Kf2分别为骨密质和骨松质上的切向切割能量系数，量纲为MPa(N/mm2)，t1和t2分别为骨密质和骨松质的切片厚度，dω为切片宽度；根据所述钻头的切割进程实时对所述三维骨骼模型进行渲染刷新。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三维骨骼模型为复合数据结构，其数据结构包括表面网格数据和体素数据。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述钻头的切割进程实时对所述三维骨骼模型进行渲染刷新包括：将消失的表面体素对应的表面网格移除，并为新出现的表面体素渲染对应的表面网格。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在对所述三维骨骼模型进行碰撞检测时，检测的体素包括：所述钻头表面的体素，与所述钻头及骨骼的表面相连的内部体素，以及所述钻头运动经过的体素。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在模拟钻孔的过程中，基于dFn＝(Kn1t1+Kn2t2)dω和dFf＝(Kf1t1+Kf2t2)dω对所述钻头的力进行模拟包括：通过全局坐标下的以下公式对所述钻头的力进行模拟：dFr＝-dFnsinφ+Ffcosφcosψ，dFc＝dFncosφcosτ+dFfsinψsinτ+dFfsinφcosψcosτ，dFe＝dFncosφcosτ-dFfsinψsinτ+dFfsinφcosψcosτ，其中，dFr、dFc和dFe分别为所述三维骨骼模型所在三维坐标系下每个轴向方向上的力的微分，所述φ为钻头的斜削...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琼，秦璟，刘效仿，王平安，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44