基于触觉反馈算法的椎弓根钉手术训练系统设计与实现

发布时间：2020-11-20 09:52

　　 基于虚拟现实技术的手术系统采用视觉和触觉双重反馈机制,能够为手术训练者提供沉浸感很强的训练环境,从而提高手术受训者的训练效果和缩短训练周期,具有重要的研究意义和实用价值。本文在分析椎弓根钉手术训练置钉准确率和系统相关功能模块的基础上,完成了系统整体框架设计;使用三角网格优化算法简化网格数目,并借助面绘制算法实现了对椎弓根骨骼的重建,设计完成了骨骼与钻头间的碰撞检测;对钻削模型和麻花钻参数进行分析,重点设计实现了骨骼钻削的触觉反馈算法;最后完成了整个系统的软件设计实现与测试。本文的创新之处在于设计并优化了椎弓根钉的触觉反馈算法,通过使用骨骼CT灰度数据代替原力觉模型的密度数据,实现了钻削过程中的实时力觉信号反馈,使系统产生的力信号更具实时性和准确性;此外在骨骼等模型重建设计中,使用优化的局部重心度量边折叠三角网格简化算法,实现了对骨骼模型三角网格数目的缩减,提高了面绘制算法模型重建的速度。本文主要研究工作如下:(1)完成了基于虚拟现实触觉反馈技术的椎弓根钉手术训练系统的总体设计和功能模块分析。根据医生椎弓根钉手术难点,分析系统功能需求,设计椎弓根钉手术三维重建模块、碰撞检测模块、触觉反馈模块和手术训练导航等模块,完成了椎弓根钉手术训练系统的整体框架设计。(2)设计实现了系统三维重建及碰撞检测功能模块。通过优化基于局部重心度量边折叠算法缩减三角网格数目,减少模型三维重建的时间;再使用区域z缓存等技术优化了轴向平行包围盒AABB算法,提高模型间碰撞检测的效率。(3)设计实现了用于力觉交互的触觉反馈算法。通过对麻花钻钻削骨骼力觉模型的分析,推导出本文麻花钻钻削受力模型;与传统的利用骨骼密度的通用数据来计算反馈力大的小不同,通过本文算法模型中替代密度参数的CT真实骨骼灰度数据,使得力觉反馈信息更具实时性和准确性。(4)完成了椎弓根手术训练系统的软件设计实现与测试。在椎弓根钉手术训练系统软件的整体架构和总体功能设计的基础上,完成了椎弓根钉操作界面设计、椎弓根骨骼等模型的三维重建和手术步骤虚拟实现,并对系统功能模块进行了测试。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R687;TP391.9
【部分图文】：

变选择不同的物理模型来进行代替[16]。第三入到仿真系统中，比如血管发生破裂会对血压官的部分功能；肿瘤的存在可能会对周围部分三代医学仿真手术是医学仿真系统最终的研人体组织的生理功能。现在的虚拟手术研究还特性进行研究并应用于系统中这一阶段[18]。如图 1-1 所示。

图 1-2 椎弓根钉手术训练系统所需的部分关键技术框图椎弓根钉手术训练系统主要包括椎弓根骨骼等模型的三维面绘制三维重建技术、骨骼与钻头等模型的碰撞检测技术以及碰撞触觉反馈技术等。1.3.1 三维重建技术医学图像三维重建算法有体素的三维重建和基于模型最外层组织重建。基于体素的三维重建就是体绘制，体绘制主要是投影图像从体数据直接转换而成。它将离散的三维数据变换为二维数据，再利用三维重建算法重建所需的模型。和面绘制三维重建算法相比，体绘制三维重建算法的突出特点是保存了体数据的内部信息以及更细节的结构，成像质量非常高。体绘制依赖于光学模型完成对体数据标量值进行颜色和透明度等光学特性的映射，通过对体素的光学特性按一定规则形成重建的图像。体数据的采样点集组合构成三维空间网格。获得体数据的方式有两种：一是经过仪器测量的数据，主要是使用 CT、MRI 等扫描设备得到的医学图像体数据；另一个方法是通过计算机获取的，比如通过数

根据此点的坐标判断两物体的交互情况。碰撞的检测效率会到后面模型间交互力觉信号的计算。3.3 触觉反馈技术触觉反馈技术是虚拟手术系统三维重建模型间交互的一个重要的功能，其作用是使手术系统能够对虚拟手术中模型间相互作用产生力觉感知[3觉或者说是触觉，是人体具有可以传递和反馈信息能力的承载物[37]。使用反馈设备，系统使用者可真正实现人机交互，通过与计算机屏幕上进行三建后的虚拟物体“触摸”接触，使操作者感觉接触到的是现实生活中的物触觉感知是一个系统反馈力觉信号的过程，实现形式是计算机将力觉信送给力反馈装置来实现[38]。当收到系统发送的力觉信号后，力反馈设备可手术操作人员提供一个反馈力，此时模型发生碰撞的情况就会以力的形式到手术训练者的手上，使其感受到物体间发生碰撞交互的效果，接触真实的触觉感知如图 1-4 所示。
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 邹德威,海涌,马华松,邵水霖,吴航滨;中华长城三维脊柱椎弓根系统治疗脊柱侧凸的初步报告[J];总装备部医学学报;1999年04期

2 杨秀萍;;椎弓根系统内固定治疗胸腰椎骨折围手术期护理对策[J];中国社区医师(医学专业半月刊);2009年20期

3 王彪,陈刚,杭晨;后路植骨椎弓根系统治疗退变性脊柱侧凸畸形[J];中国矫形外科杂志;2005年03期

4 张军;杨朔;;椎弓根系统治疗胸腰椎骨折并脊髓损伤[J];遵义医学院学报;2007年04期

5 霍洪军,肖宇龙,杨学军,黄健,邢文华,白剑强,王冉东;应用中华长城椎弓根系统治疗脊柱侧凸[J];临床骨科杂志;2004年03期

6 姜宏森;;后路短节段椎弓根系统内固定治疗胸、腰椎骨折的疗效观察[J];当代医学;2012年32期

7 汪建国;王彦红;;AF椎弓根系统治疗胸腰椎骨折148例体会[J];实用骨科杂志;2006年03期

8 刘成;肖军;李坚;付纳新;彭风平;孟桢桢;;中华长城椎弓根系统后路固定加椎间植骨术治疗腰椎滑脱症[J];湖北民族学院学报(医学版);2005年04期

9 王娟;;棒椎弓根系统内固定治疗胸腰段脊椎骨折的术后护理[J];现代医学与健康研究电子杂志;2018年06期

10 方沁元;椎弓根系统内固定治疗胸腰椎不稳定性骨折54例分析[J];苏州医学院学报;1997年03期

相关硕士学位论文 前6条

1 刘飞;基于触觉反馈算法的椎弓根钉手术训练系统设计与实现[D];武汉理工大学;2018年

2 魏国强;矢向轴动态椎弓根钉棒系统的生物力学研究[D];南方医科大学;2017年

3 马帅;椎弓根系统内固定治疗腰椎退行性脊柱侧凸[D];黑龙江中医药大学;2008年

4 于建林;有限截骨椎弓根系统固定与椎体间cage植入融合术的应用研究[D];青岛大学;2014年

5 许文定;不稳定骶骨骨折应用三种内固定方法的疗效比较[D];福建医科大学;2016年

6 罗俊男;限制性动态固定与椎间融合内固定术治疗腰椎退行性疾病的疗效分析[D];南华大学;2017年

本文编号：2891241