一种基于力反馈的骨外科手术仿真系统

摘要

一种基于力反馈的骨外科手术仿真系统，涉及虚拟手术系统开发技术领域。本发明的目的是为了能够让用户真实的感知人体组织的生物力学特性，从而提高手术培训的效果和手术成功率。本发明包括：虚拟骨科手术模拟子系统、输入模块、力反馈模块和显示模块。虚拟骨科手术模拟子系统用于实现手术模拟过程中所需的人体组织的几何建模、网格划分、生物力学建模及其计算、碰撞检测、切割缝合及动态可视化、力反馈计算等。本发明的方案可基于visual studio开发平台，通过自主编程实现虚拟人体组织的几何建模、网格划分、生物力学建模及其计算、形变切割以及力反馈计算等。本发明能降低手术系统成本及复杂程度。

主权项

一种基于力反馈的骨外科手术仿真系统，其特征在于：所述系统包括虚拟骨科手术模拟子系统(1)、输入模块(2)、力反馈模块(3)和显示模块(4)；其中，所述虚拟骨科手术模拟子系统(1)包括：几何建模模块，用于导入二维断层扫描图像数据；并用于经过图像预处理后进行骨组织、软骨和软组织的三维表面模型的建立；网格划分模块，用于三维表面模型的面网格划分；并用于将面网格模型生成体网格模型，实现连续的三维模型的离散化，保证能够进行后续的有限元计算；生物力学建模及其计算模块，用于虚拟人体组织的体网格模型的材料属性赋值，骨组织采用基于CT图像灰度值的微观生物力学模型来提高仿真精度，而软骨和软组织的生物力学模型采用非线性超弹性方程来减少计算量；本模块还用于骨生物力学建模及其计算过程中的CT图像灰度值的提取，并计算单元内心处的灰度值，然后根据灰度值、表观密度、弹性模量之间的关系求得表示应力‑应变关系的单元弹性矩阵；并用于软骨以及软组织生物力学建模及其计算过程中的人体皮肤、脂肪、肌肉等组织的超弹性模型材料参数的输入，并根据模型的参数以及超弹性材料的特点来求得表示应力‑应变关系的单元弹性矩阵；本模块还用于每个网格模型的单元刚度矩阵的计算、整体刚度矩阵的封装等；还用于计算模型在设定固定约束和外加载荷等条件下输出的变形；碰撞检测模块，用于判断和检测手术器械在运动的过程中是否与虚拟人体组织发生碰撞，如果发生碰撞，则给出碰撞反应；切割缝合以及动态可视化模块，用于计算人体组织模型切割部分的几何拓扑关系；还用于实时刷新模型的网格节点变化，并在系统的显示设备中显示模型的变形、切割、缝合过程；力反馈计算模块，用于计算虚拟人体组织在发生变形和切割过程中对手术器械反馈的力；其中，所述的输入模块(2)包括：图像数据输入单元，用于读取患者的二维断层扫描图像数据；用户操作单元，用于用户与虚拟骨科手术模拟子系统之间的患者信息输入与传递，信息包括患者的个人基本信息和虚拟人体组织模型向用户反馈的视觉信息；其中，所述力反馈模块(3)包括：检测单元，用于实时地将手术器械的位置信息和反馈力信息传递到虚拟骨科手术模拟子系统(1)中；力觉交互单元，用于用户通过仿真手术器械实际模拟演练手术，与虚拟骨科手术模拟子系统(1)进行触觉交互；其中，所述显示模块(4)，用于在视觉上显示整个手术的模拟过程，实现用户与虚拟骨科手术模拟子系统(1)之间的视觉交互。