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(jì)算機(jī)圖形學(xué),、計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)(主要是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí))來模擬,、指導(dǎo)醫(yī)學(xué)手術(shù)所涉及的各種過程,，在時(shí)間段上包括了術(shù)前、術(shù)中,、術(shù)后,，在實(shí)現(xiàn)的目的上有手術(shù)計(jì)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(jì)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(gè)極具真實(shí)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(chǎng)感效果,，具有交互性,、可重復(fù)性、無損傷性等優(yōu)點(diǎn),，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(jì)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(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，其主要功能是將人手運(yùn)動(dòng)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(jì)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(cè)完成接觸力的計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(cè)
    碰撞檢測(cè)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(cè)方法[5-6]。AABB是進(jìn)行碰撞檢測(cè)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(diǎn)坐標(biāo)P(x,y,z)都需要滿足如下條件:
  
　
4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真
4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
    基于以上設(shè)計(jì)方案,，搭建了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)碰撞檢測(cè)算法計(jì)算出接觸力，并反饋至操作者,，同時(shí),，手術(shù)工具的實(shí)時(shí)位置也會(huì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果
    圖6(a)所示為正確的穿刺區(qū)域,手術(shù)時(shí)不能損傷椎管內(nèi)骨髓,，同時(shí)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(cuò)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(gè)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(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)交互,。該系統(tǒng)為醫(yī)生提供了一套訓(xùn)練平臺(tái)，對(duì)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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