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随着现代外科手术的发展,手术门类越来越丰富,在手术训练中需要掌握的技巧和知识越来越多,从而导致尸源和实习机会的相对减少,医学院学生在解剖室或手术室中的训练相对不足。另一方面随着神经外科等高难度手术的发展和微创手术的广泛运用,计算机辅助手术日益普及。基于虚拟现实技术的手术训练系统可以提供灵活逼真的三维手术交互场景,并绘制出真实的交互触觉感受,从而帮助医生更直观的获得解剖学结构、手术过程、操作手感等信息。因其灵活性、可扩展性、可重复使用性以及与计算机辅助手术易于结合的特性,虚拟手术正吸引着越来越多研究者的注意力。
下颌整形手术是整形外科手术的一个子类,适用于先天或后天的颅骨、面部或颌骨的畸形,手术往往涉及骨骼、皮肤和肌肉等多种组织,要求施术医生经验丰富,对颅颌面的解剖结构非常清楚。这篇论文实现了一个多组织的虚拟下颌手术交互平台,以辅助下颌手术训练。平台目前集成典型手术工具操作,基于mass-spring模型进行多组织形变仿真,基于轴向层次包围盒树进行多组织碰撞检测,基于虚平面思想和力学定理建立推力、拉力和针刺三类触觉模型。在这些触觉模型中,不同组织的交互触感各有不同。该平台通过各个模块的数据局部性控制来获得大数据量处理的高效率。在探讨并得到了较多行之有效的形变仿真、碰撞检测和触觉计算的具体实现方法的同时,提出了稳定可靠、计算简单的串联插值滤波的触觉信号频率扩展算法并集成到平台中。
目前平台输出的反馈力平滑真实。触觉信号频率扩展实验的结果证明串联插值滤波的算法能有效抑制随机噪声,并且输出稳定可靠的高频触觉信号,以较小的计算代价实现了触觉信号从40 H到1K Hz的频率扩展。多组织识别实验验证了用户在本文的虚拟下颌部整形手术平台中,仅依靠触觉进行组织识别的可行性,结果证明推力触觉模型和针刺触觉模型的多组织识别率令人满意。