《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于力反饋的虛擬脊柱手術(shù)模擬系統(tǒng)的構(gòu)建
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第12期
盛國棟, 曹其新
上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200240
摘要： 針對醫(yī)學(xué)手術(shù)排練演習(xí)和手術(shù)教學(xué)開發(fā)了虛擬脊柱手術(shù)模擬平臺。在該平臺上能夠根據(jù)手術(shù)的真實環(huán)境，模擬常用手術(shù)器械和脊柱結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)人機(jī)實時交互。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件環(huán)境參數(shù)，并基于3DS MAX的建模和力觸覺渲染引擎CHAI 3D進(jìn)行仿真。仿真實驗結(jié)果表明,基于力反饋的虛擬脊柱手術(shù)模擬系統(tǒng)可以有效地模擬脊柱手術(shù)時的力反饋狀態(tài)，幫助醫(yī)師進(jìn)行脊柱手術(shù)術(shù)前訓(xùn)練，并適用于高校的醫(yī)學(xué)教學(xué)和醫(yī)療機(jī)構(gòu)人員的培訓(xùn)。
中圖分類號： TP391.9
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)12-0129-03
Construction of virtual spinal surgery simulation system based on force feedback
Sheng Guodong, Cao Qixin
School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China
Abstract： A virtual system for spinal surgery has been developed for medical surgical practice and surgery teaching of minimally invasive surgical skills. It can simulate the commonly used surgical instruments as well as the spine structure, achieving real-time human-computer interactions. Hardware parameters of the system was introduced in detail, and the surgery simulation was done based on 3DS MAX modeling and the haptic rendering engine(CHAI 3D). The simulation results show that: virtual spinal surgery simulation system based on force feedback can effectively simulate the state of force feedback during the spinal surgery. It can help surgeon in preoperative training and it is suitable for teaching in medical universities and medical personnel training.
Key words : virtual surgery; model building; collision detection; force feedback

    現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展越來越體現(xiàn)多門學(xué)科的交叉和滲透。虛擬手術(shù)（Virtual Surgery）作為正在發(fā)展的研究方向，是集醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)視覺、數(shù)學(xué)分析、機(jī)械力學(xué)、材料學(xué)、機(jī)器人等諸多學(xué)科為一體的新型交叉研究領(lǐng)域。其目的是使用計算機(jī)技術(shù)(主要是計算機(jī)圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實)來模擬、指導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過程，在時間段上包括了術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后，在實現(xiàn)的目的上有手術(shù)計劃制定，手術(shù)排練演習(xí)、手術(shù)教學(xué)、手術(shù)技能訓(xùn)練、術(shù)中引導(dǎo)手術(shù)、術(shù)后康復(fù)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(shè)備—Omega.7，設(shè)計了一種基于力反饋的虛擬脊柱手術(shù)模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以為操作者提供一個極具真實感和沉浸感的訓(xùn)練環(huán)境，還能夠?qū)⒘π畔⒎答伣o操作者，產(chǎn)生良好的臨場感效果，具有交互性、可重復(fù)性、無損傷性等優(yōu)點，力觸覺反饋效果良好，可以為醫(yī)師提供脊柱手術(shù)術(shù)前訓(xùn)練，適用于高校的醫(yī)學(xué)教學(xué)和醫(yī)療機(jī)構(gòu)人員的培訓(xùn)。
1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和設(shè)計方案
　基于力反饋的虛擬脊柱手術(shù)模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中Omega.7 是整個系統(tǒng)的核心設(shè)備，其主要功能是將人手運動的位置信息發(fā)送至虛擬仿真環(huán)境，并將虛擬環(huán)境中生成的力信息反饋給操作者。主控計算機(jī)在CHAI 3D環(huán)境中,完成脊柱和手術(shù)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(shè)備的視覺反饋，可以準(zhǔn)確地操作虛擬工具進(jìn)行手術(shù)，進(jìn)而實現(xiàn)人機(jī)交互。

2 虛擬環(huán)境的構(gòu)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(jù)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(shù)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(huán)境為3DS MAX 2013。采用多邊形建模方法，圖2(a)所示為依據(jù)實體模型，圖2(b)所示為建立分布稀疏得當(dāng)?shù)木W(wǎng)格模型，圖2(c)所示為經(jīng)過網(wǎng)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(shù)模擬系統(tǒng)中能夠獲得良好力反饋效果的前提條件，本系統(tǒng)采用AABB(Axis-Aligned Bounding Box)碰撞檢測方法[5-6]。AABB是進(jìn)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(biāo)軸。AABB內(nèi)的任一點坐標(biāo)P(x,y,z)都需要滿足如下條件:
  
　
4 系統(tǒng)實驗仿真
4.1 實驗平臺
    基于以上設(shè)計方案，搭建了系統(tǒng)實驗平臺，如圖5所示。以椎弓根穿刺手術(shù)為例 [7]，由于手術(shù)的穿刺區(qū)域非常狹小，非常容易發(fā)生操作失誤進(jìn)而損傷椎管內(nèi)的脊髓。本系統(tǒng)中操作者通過操作Omega.7來控制仿真環(huán)境中的虛擬手術(shù)器械，將手術(shù)工具穿入椎體。計算機(jī)會根據(jù)碰撞檢測算法計算出接觸力，并反饋至操作者，同時，手術(shù)工具的實時位置也會通過顯示設(shè)備反饋至操作者，從而達(dá)到手術(shù)模擬的目的[8]。

4.2 實驗結(jié)果
    圖6(a)所示為正確的穿刺區(qū)域,手術(shù)時不能損傷椎管內(nèi)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(shù)中的正確操作和錯誤操作方式。圖6(b)中手術(shù)器械沿著正確的穿刺區(qū)域進(jìn)入椎體，整個穿刺過程中，操作者都能感到持續(xù)的反饋力，而圖6(c)中手術(shù)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(jìn)而達(dá)到訓(xùn)練和教學(xué)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(shù)模擬系統(tǒng)，此虛擬系統(tǒng)可以建立形象的脊柱模型和手術(shù)器械，配合力反饋設(shè)備，醫(yī)生能夠與虛擬手術(shù)環(huán)境中的對象進(jìn)行實時交互。該系統(tǒng)為醫(yī)生提供了一套訓(xùn)練平臺，對虛擬手術(shù)技術(shù)的研究和醫(yī)務(wù)人員的培訓(xùn)都作出了一定貢獻(xiàn)。
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