目的:建立高度真实感的脊柱外科虚拟手术环境;构建手术操作力与参数间的本构函数方程,通过组织形变仿真来实时模拟脊柱手术过程;分析该系统对用户实际手术技能的影响。第一部分虚拟手术环境构建方法:1.本研究所需要的尸体标本来自第二军医大学解剖教研室,总共10具,男性5具,平均年龄60岁,身高172厘米,体重73千克,女性5具,平均年龄55岁,身高162厘米,体重53千克。2.将标本经256排CT扫描,然后将数据转移到项目组计算机中。3.用DICOM查看器读取CT数据,转换为JPEG格式,用ACDSee9.0将图像转换成BMP格式。4.用Mimics10.0进行图像分割与三维重建,生成三维可视化脊柱模型。5.通过marching cube算法对脊柱模型进行几何建模,模型重建后经3dMax软件对其进行材质编辑以实现模型的纹理渲染。6.采用游标卡尺测量常用工具,获取工具参数,使用CAD软件对虚拟手术工具进行三维建模,然后对其进行不同程度的材质编辑和贴图渲染。7.将脊柱三维重建模型和工具模型分别导入到FreeForm Modeling System中,建立脊柱外科虚拟手术环境。结果:1.成功制作出脊柱标本,经256排螺旋CT薄层扫描获得964层图像,数据共507MB。2.绝大部分BMP格式数据满意,有少数分割效果不好的通过后期调节阈值大小进行修正,效果满意。3.重建后的脊柱模型,可以在三维空间上放大和缩小,可以任意角度旋转、测量,全方位地观察脊柱的解剖结构。4.构建的手术工具三维模型具有逼真的形态,通过操纵杆可以任意操纵工具做各种外科操作。5.在建立的虚拟环境中,脊柱模型及手术工具具有很强的立体感,逼真的形态,可随意操纵虚拟手术工具,实现在脊柱目标部位进行相关的虚拟手术操作。结论:使用图像处理软件Mimics10.0可对CT数据从输入到输出的多环节进行修改干预。通过设置三维重建的参数可以控制重建模型质量,获得脊柱精确平滑的三维模型。在建立的虚拟环境中,脊柱模型及手术工具具有很强的立体感,逼真的形态,操作者可以随意操纵虚拟手术工具模拟真实手术过程,具有很强的真实感、沉浸感、交互性。第二部分构建基于力反馈技术的脊柱外虚拟手术训练系统方法:1.手术操作力数据分析与力模型创建(1)本项目钻骨力测量实验平台是由数控机床,KISTLER精密测力仪与数据采集卡,数据采集与分析软件、信号放大器组成。(2)采用KISTLER精密测力仪与数据采集卡,经数据采集与分析软件,测量钻削等操作时真实的操作力和力矩。(3)将采集的数据经去噪处理后进行统计分析,建立多元回归预测模型,对影响因素(自变量)和操作力(因变量)进行数理统计分析处理,确定因变量与自变量间的相关度,构建手术操作力与影响参数间本构函数方程。(4)确定操作力与各个影响参数间的关系,建立输入参数与输出反馈力间的本构函数方程,得到真实操作力的计算依据。2.碰撞检测与形变模拟(1)根据工具表面形态特征,将工具模型离散为多点目标,实时检测骨组织体素模型与工具点集间的空间关系,记录与骨组织体素模型发生空间干涉的目标点集;(2)通过计算工具在当前位置与前一位置间的位置变换矢量,结合操作力本构函数方程,分别计算已发生干涉的各个目标点所产生的操作力,依据各目标点的空间矢量坐标,计算总的操作力并予以反馈;(3)构建基于固定方向凸包包围盒层次,将那些与工具目标点集发生干涉的骨组织体素予以删除,模拟组织形变。3.脊柱外科虚拟训练系统的实现(1)将虚拟环境构建、形变模拟和力反馈模拟等各大系统的数据接口进行整合,将各关键算法进行模块化软件实现;(2)基于VC2008开发平台,选用OpenGL作为图形图像函数库,采用Qt跨平台开发库完成交互式界面设计,并通过DLL动态链接库和COM组件技术对各功能软件模块进行封装实现系统无缝集成。(3)选用瑞士ForceDimension公司的Omega7作为力反馈设备结果:1.我们创建的钻骨力测量实验平台,可通过实验平台的测力仪、数据采集系统测量出脊椎标本上椎弓根钉植入术时的手术操作力并可以实时记录。经实验平台中专用的数据分析软件进行分析处理。2.钻削力及力矩随着进给速度增加而增大,但随着主轴钻速和钻头直径的增大而减小。3.通过回归分析得出:F = 77.42 ×d1.294Di0.317Vs-0.472Vf0.424(1)M = 0.056×d0.539Di2.371Vs0.106Vf0.024(N·m)(2)初步的钻骨力预测模型如下:F = 6.45 + 0.31Vfeed-4.7Vrot + 7.8Vfeed2+ 5.2V2t-6.1Wfeed·Vrot其中F为轴向钻骨力,Vfeed为手术钻的进给速度,Vrot为手术钻的主轴钻速。4.通过多点碰撞检测算法避免了骨密度不均匀时力反馈计算的不连续和失真性问题,提高了形变模拟时的反馈力计算的真实性和稳定性。5.课题组通过上述工作开发出一套具有力触觉反馈功能的脊柱外科虚拟手术训练系统。该系统力反馈设备,可将逼真的力道从手掌传达到操作者的手臂,可准确测量出三维空间中手掌的移动与转动。骨组织能够在外力作用下产生逼真没有台阶感的形变。通过3D眼镜操作者可体验到沉浸式的虚拟视觉效果,实现视觉和力触觉的交互模拟。结论:我们对所得数据回归分析得到了手术操作力与参数间的本构函数方程:F = 6.45 + 0.3 1Vfeed-4.7Vrot + 7.8Vfeed2 + 5.2Vrot2-6.1Vfeed·Vrot基于多点碰撞检测算法使力反馈计算连续逼真,该虚拟手术训练系统通过力反馈设备,可将逼真的力道从手掌传达到操作者的手臂,逼真模拟出在用手术工具对骨组织操作时而产生的骨组织形变,通过3D眼镜操作者可体验到沉浸式的虚拟视觉效果,实现视觉和力触觉的交互模拟。第三部分虚拟手术辅助系统性能评估方法:1.通过记录系统中虚拟钻骨操作过程的操作参数和虚拟反馈力,将其与同条件下的真实手术操作数据对比,检验系统的可信度。2.通过问卷调查,检验系统是否达到其预期设计目的。3.通过对照组对比操作试验,分别记录分析两组受训者在虚拟训练前后的实体模型操作数据,对比它们之间的差异,从而评价系统的结构效度。4.设定定量评价指标,用虚拟手术训练系统对受训者进行反复训练,分析操作者经过训练后在实际模型上操作的数据变化,从而评价其转化效度。结果:1.实际测量数据和理论数值不完全一致,但实际测量结果在我们理论数值的上下波动,呈正态分布,因此可以认为,我们的虚拟手术训练系统的主轴力和扭矩模拟结果具有很高的信度。2.在给出的三个评价指标中,医学院研究生和高年资医生均给出了“优良”的评价,说明该训练系统具有很高的表面效度,但在系统在模拟细节方面还有提升的空间,对新手有更加良好的训练效果。3.不同水平的医生经过该系统反复训练后,实际手术技能均有不同程度的提高,高年资医生的实际操作水平比低年资医生好。4.操作者通过在虚拟手术的反复训练可以提高其操作技能和手术熟练度,可以将手术训练效果有效地转化为手术经验。具有很高的转化效度。结论:本课题组构建的脊柱外科虚拟手术训练系统可以精确性地模拟实际手术中钻骨操作的力触觉,逼真地模拟出实际手术中的“手感”,训练系统视觉真实,力触觉反馈稳定迅速,可以逼真地还原手术现场,通过该系统训练可以将手术训练效果有效地转化为手术经验。可以区分不同水平的使用者。具有很高的信度、表面效度、结果效度和转化效度。但在模拟细节方面还有提升的空间,对新手有更加良好的训练效果。