文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)12-0129-03
現代科學技術的發展越來越體現多門學科的交叉和滲透。虛擬手術（Virtual Surgery）作為正在發展的研究方向，是集醫學、生物力學、機械學、材料學、計算機圖形學、計算機視覺、數學分析、機械力學、材料學、機器人等諸多學科為一體的新型交叉研究領域。其目的是使用計算機技術(主要是計算機圖形學與虛擬現實)來模擬、指導醫學手術所涉及的各種過程，在時間段上包括了術前、術中、術后，在實現的目的上有手術計劃制定，手術排練演習、手術教學、手術技能訓練、術中引導手術、術后康復等。
本文利用3DS MAX建模、力觸覺渲染引擎CHAI 3D(http://www.chai3d.org/)和力覺交互設備—Omega.7，設計了一種基于力反饋的虛擬脊柱手術模擬系統，該系統不僅可以為操作者提供一個極具真實感和沉浸感的訓練環境，還能夠將力信息反饋給操作者，產生良好的臨場感效果，具有交互性、可重復性、無損傷性等優點，力觸覺反饋效果良好，可以為醫師提供脊柱手術術前訓練，適用于高校的醫學教學和醫療機構人員的培訓。
1 系統整體結構和設計方案
基于力反饋的虛擬脊柱手術模擬系統的結構如圖1所示，其中Omega.7 是整個系統的核心設備，其主要功能是將人手運動的位置信息發送至虛擬仿真環境，并將虛擬環境中生成的力信息反饋給操作者。主控計算機在CHAI 3D環境中,完成脊柱和手術工具的建模，并基于碰撞檢測完成接觸力的計算和仿真圖形的更新；操作者通過Omega.7的力反饋和顯示設備的視覺反饋，可以準確地操作虛擬工具進行手術，進而實現人機交互。
2 虛擬環境的構造
2.1 脊柱模型的多邊形建模方法
脊柱模型的建模方法,包括MRI掃描建模[1]、CT掃描建模[2]和依據實體模型的直接建模方法等。由于MRI法和CT法成本較高,且直接建模方法能夠滿足手術模擬的需要，因此選用直接建模的方法來建立脊柱的3D模型，建模環境為3DS MAX 2013。采用多邊形建模方法，圖2(a)所示為依據實體模型，圖2(b)所示為建立分布稀疏得當的網格模型，圖2(c)所示為經過網格平滑后得到的較為逼真的脊柱三維模型。
2.3 AABB碰撞檢測
碰撞檢測是手術模擬系統中能夠獲得良好力反饋效果的前提條件，本系統采用AABB(Axis-Aligned Bounding Box)碰撞檢測方法[5-6]。AABB是進行碰撞檢測的三維幾何體的外接平行六面體,每條邊都平行于坐標軸。AABB內的任一點坐標P(x,y,z)都需要滿足如下條件:
4 系統實驗仿真
4.1 實驗平臺
基于以上設計方案，搭建了系統實驗平臺，如圖5所示。以椎弓根穿刺手術為例 [7]，由于手術的穿刺區域非常狹小，非常容易發生操作失誤進而損傷椎管內的脊髓。本系統中操作者通過操作Omega.7來控制仿真環境中的虛擬手術器械，將手術工具穿入椎體。計算機會根據碰撞檢測算法計算出接觸力，并反饋至操作者，同時，手術工具的實時位置也會通過顯示設備反饋至操作者，從而達到手術模擬的目的[8]。
4.2 實驗結果
圖6(a)所示為正確的穿刺區域,手術時不能損傷椎管內骨髓，同時也不能穿出脊柱外壁。圖6(b)和圖6(c)分別顯示了模擬椎弓根穿刺手術中的正確操作和錯誤操作方式。圖6(b)中手術器械沿著正確的穿刺區域進入椎體，整個穿刺過程中，操作者都能感到持續的反饋力，而圖6(c)中手術器械穿入椎管，操作者可明顯感受到力反饋的突變。操作者通過這種力反饋的不同，進而達到訓練和教學的目的，不同操作的力反饋情況如圖7所示。
本文介紹了一種基于力反饋的虛擬脊柱手術模擬系統，此虛擬系統可以建立形象的脊柱模型和手術器械，配合力反饋設備，醫生能夠與虛擬手術環境中的對象進行實時交互。該系統為醫生提供了一套訓練平臺，對虛擬手術技術的研究和醫務人員的培訓都作出了一定貢獻。
參考文獻
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