一種基于力反饋的骨外科手術仿真系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于力反饋的骨外科手術仿真系統，涉及虛擬手術系統開發領 域。
【背景技術】
[0002] 近年來患骨科疾病的人數不斷增長，吸引了國內外不少專家對治療骨科疾病的關 注。目前在骨科手術領域所具有的種類繁多、更新快、專業性強、手術體位復雜等特點，使得 年輕的新醫生難以快速地掌握骨科手術的技術。傳統的醫學培訓主要是通過口頭、視頻等 教學，或者對尸體和動物做實驗的方法進行，而這種方法存在著無法重復使用實驗對象、培 訓周期較長、培訓成本較高、并存在著倫理道德方面的爭議等缺點。
[0003] 隨著虛擬現實技術的發展與有限元技術的結合，使得虛擬手術技術應運而生。 現階段有一些相關領域的研究成果，比如日本名古屋大學開發的3D手術仿真系統，美國 Intuitive Surgical公司開發的Da Vinci外科機器人系統等，這些系統的價格昂貴，無法 普及到國內各個醫療培訓機構。國內的一些研究單位對虛擬手術系統開發的研究處于起步 階段，主要集中在三維重建和人體組織的生物力學建模上，而針對于骨外科手術的培訓系 統更是甚少，大部分還是利用幾套現有的商業軟件進行手術仿真。文獻號為CN101996507B 的發明專利公開了一種"構建外科虛擬手術教學及訓練系統的方法"，包括DICOM數據的采 集、幾何建模、計算建模、碰撞檢測、可視化、評定系統等內容。該手術系統可應用于普通外 科、骨外科和耳鼻喉科模擬手術培訓、手術預演以及臨床診斷等，但該手術系統的建立過程 中缺少力反饋模塊，因此缺乏虛擬觸覺效果，在仿真精度上還有一些提高的空間。南方醫 科大學的劉永剛在博士學位論文"骨折分類三維數字化模型的建立及其在虛擬手術中的應 用"中建立了骨折分類虛擬手術系統，其中骨折的分類三維幾何模型采用MMICS軟件建立， 并在Freedom Modeling System的GHOST環境下實現虛擬切割和骨折復位固定等，然后利 用外部力反饋設備進行手術的模擬。該建模方法提高了虛擬手術系統的仿真精度，但是整 個過程采用幾套現有的商業軟件實現，因此系統的成本和復雜程度較高。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種基于力反饋的骨外科手術仿真系統，能夠讓操作者真實 的感知人體組織的生物力學力學特性，從而提高手術培訓的效果和手術成功率。
[0005] 本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是：
[0006] -種基于力反饋的骨外科手術仿真系統，所述系統包括虛擬骨科手術模擬子系統 (1)、輸入模塊（2)、力反饋模塊（3)和顯示模塊（4);
[0007] 其中，所述虛擬骨科手術模擬子系統（1)包括：
[0008] 幾何建模模塊，用于導入二維斷層掃描圖像數據；并用于經過圖像預處理后進行 骨組織、軟骨和軟組織的三維表面模型的建立；
[0009] 網格劃分模塊，用于三維表面模型的面網格劃分；并用于將面網格模型生成體網 格模型，實現連續的三維模型的離散化，保證能夠進行后續的有限元計算；
[0010] 生物力學建模及其計算模塊，用于虛擬人體組織的體網格模型的材料屬性賦值， 骨組織采用基于CT圖像灰度值的微觀生物力學模型來提高仿真精度，而軟骨和軟組織的 生物力學模型采用非線性超彈性方程來減少計算量；本模塊還用于骨生物力學建模及其計 算過程中的CT圖像灰度值的提取，并計算單元內心處的灰度值，然后根據灰度值、表觀密 度、彈性模量之間的關系求得表示應力-應變關系的單元彈性矩陣；并用于軟骨以及軟組 織生物力學建模及其計算過程中的人體皮膚、脂肪、肌肉等組織的超彈性模型材料參數的 輸入，并根據模型的參數以及超彈性材料的特點來求得表示應力-應變關系的單元彈性矩 陣；本模塊還用于每個網格模型的單元剛度矩陣的計算、整體剛度矩陣的封裝等；還用于 計算模型在設定固定約束和外加載荷等條件下輸出的變形；
[0011] 碰撞檢測模塊，用于判斷和檢測手術器械在運動的過程中是否與虛擬人體組織發 生碰撞，如果發生碰撞，則給出碰撞反應；
[0012] 切割縫合以及動態可視化模塊，用于計算人體組織模型切割部分的幾何拓撲關 系；還用于實時刷新模型的網格節點變化，并在系統的顯示設備中顯示模型的變形、切割、 縫合過程；
[0013] 力反饋計算模塊，用于計算虛擬人體組織在發生變形和切割過程中對手術器械反 饋的力；
[0014] 其中，所述的輸入模塊⑵包括：
[0015] 圖像數據輸入單元，用于讀取患者的二維斷層掃描圖像數據；
[0016] 用戶操作單元，用于用戶與虛擬骨科手術模擬子系統之間的患者信息輸入與傳 遞，信息包括患者的個人基本信息和虛擬人體組織模型向用戶反饋的視覺信息；
[0017] 其中，所述力反饋模塊⑶包括：
[0018] 檢測單元，用于實時地將手術器械的位置信息和反饋力信息傳遞到虛擬骨科手術 模擬子系統（1)中；
[0019] 力覺交互單元，用于用戶通過仿真手術器械實際模擬演練手術，與虛擬骨科手術 模擬子系統（1)進行觸覺交互；
[0020] 其中，所述顯示模塊（4)，用于在視覺上顯示整個手術的模擬過程，實現用戶與虛 擬骨科手術模擬子系統（1)之間的視覺交互。
[0021] 所述虛擬骨科手術模擬子系統（1)實現其功能的具體過程為：
[0022] 1)幾何建模模塊
[0023] 幾何建模的過程中涉及到閾值篩選、交互式分割以及三維重建的步驟；通過閾值 篩選的過程將患者的骨、肌肉、軟骨、脂肪、皮膚這些組織分別進行初步的分割；通過交互式 分割過程手動擦除和修補單張圖片來提高圖像分割的質量；通過三維重建的過程可將在二 維斷層圖像中分割出來的區域生成三維表面模型；
[0024] 2)網格劃分模塊
[0025] 網格劃分過程包括面網格劃分和體網格劃分兩個步驟；面網格劃分過程是將三維 表面模型進行優化，包括：表面模型優化、平滑處理、修補漏洞；表面模型的優化通過減小 表面模型的三角面片來實現，該過程只需將相連的兩個頂點合并到一個新頂點上，并延續 原有的拓撲關系；平滑處理的過程，對三維的面網格模型進行去噪；修補漏洞的過程通過 將模型當中的空洞提取成空間多邊形，然后對空洞多邊形進行三角化的方法實現；體網格 劃分的過程是將面網格模型進行拉伸、旋轉步驟來實現；
[0026] 3)生物力學建模及其計算模塊
[0027] a.骨生物力學建模及其計算：
[0028] 骨生物力學建模及其計算模塊包括骨材料屬性賦值和模型計算兩個步驟；骨彈性 模量的賦值過程是求出每個單兀內心處應變-應力關系矩陣S，應變與應力關系（本構方 程）如式⑴所示：
[0029] ε = S · 〇 (I)
[0030] 式中，ε是應變張量；σ是應力張量；S是柔度矩陣，其形式如下：
[0032] 其中，Exy是X和y軸方向的彈性模量；E 2是ζ軸方向的彈性模量；μ χγ是X和y軸 方向的泊松比；μ z是z軸方向的泊松比；G χγ是X和y軸方向的剪切模量；G 2是z軸方向的 剪切模量；
[0033] 柔度矩陣S中的彈性模量和剪切模量通過CT圖像的灰度值與骨表觀密度之間關 系、骨表觀密度與彈性模量之間的關系等來獲取；其中骨表觀密度與彈性模量之間的關系 為骨生物力學模型，模型如式（3)所示：
[0036] 式中，彈性模量E的單位是MPa ; P是表觀密度，單位是g/cm3;剪切模量G的單位 是 GPa ;
[0037] 表觀密度與灰度值之間的關系如式（4)所示：
[0039] 式中，P i，P。為骨最大、最小表觀密度；H1, H。為骨最大、最小灰度值；選取P 1 = 2，P。= 0, H。= 0, H i= 2663 ;H為單元內心處灰度值，可通過六面體插值函數來求得；
[0040] 骨模型的計算過程是求解平衡方程，平衡方程如式（5)所示：
[0041] P = K · u (5)
[0042] 式中，P是等效節點載荷列陣；K是整體剛度矩陣；u是位移列陣；
[0043] 整體剛度矩陣K由單元剛度矩陣Γ按節點序號排列并封裝得到，單元剛度矩陣的 表達形式如式（6)所示：
[0044] Ke= / vBTDBdV (6)式中，矩陣B是表示應變和位移關系的幾何矩陣；矩陣D是 表示應力與應變關系的彈性矩陣，是柔度矩陣S的逆矩陣；
[0045] 求解平衡方程得到節點位移；
[0046] b.軟骨和軟組織生物力學建模及其計算：
[0047] 軟骨和軟組織的生物力學建模及計算模塊包括材料屬性賦值和模型計算兩個步 驟；軟骨和軟組織材料屬性的賦值過程是求得每個單元的切線彈性矩陣D t，具體可通過超 彈性模型對應變分量求兩次導數得到，如式（7)所示：
[0049] 式中，Dt是切線彈性矩陣;W是超彈性材料的應變能密度函數；E是Green應變張 量；
[0050] 軟組織包括皮膚、脂肪、肌肉，其中皮膚的生物力學模型采用Neo-Hookeon模型， 如式⑶所示：
[0051] W