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数字化技术在脊柱外科手术中的应用进展
在高速发展的电子信息科技时代,脊柱外科领域的基础、临床研究迅猛发展,脊柱外科临床技术和数字化技术结合,形成了系统的脊柱外科临床数字技术.数字化技术使脊柱外科临床治疗过程完全建立在计算机辅助技术的基础上,使手术医生能够高效率、高精度、三维立体地了解疾病的分布、形态、结构,从而科学判断手术指征,制定佳手术方案,大程度减少手术创伤,避免神经损伤,尽快恢复机体功能.脊柱外科数字化技术主要体现在脊柱虚拟手术仿真系统、脊柱外科术中导航系统、脊柱外科术中监测系统、脊柱手术机器人系统在脊柱外科中的应用等方面,现综述如下.
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互联网上的整形美容资源
国际互联网(Internet)是一个覆盖全球的信息资源网.它具有开放性、超地域性、无限增长性及较好的时效性,人们通过互联网可方便迅速地取得信息及进行交流,其发展趋势已使其成为当代医务工作者工作中必不可少的工具.通过国际互联网我们可以查询相关的医学信息,进行文献检索、信息查新及订阅相关的医学电子刊物;可以和世界各地的同行进行信息交流、业务讨论及远程会诊;还可通过远程教学学习新知识、新技术;甚至还可进行虚拟手术的实践和获取学位.
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颅颌面外科术前虚拟技术
颅颌面外科是由法国著名整形外科专家Tssier于20世纪60年代后期创立的一门新兴学科,通过特殊的截骨和植骨方法将颅颌面分块移动,并按照整形修复的原则重新排列组合和固定,从而达到从根本上矫正各种严重的颅颌面畸形的目的.颅颌面畸形的定位、定性和定量诊断、周密准确的手术设计和面貌预测对于确保满意的整形手术疗效至关重要.虚拟外科手术是虚拟现实在医学领域的一个研究方向.建立颅颌面虚拟手术的动机是基于通过个别地考虑患者手术计划步骤来降低颅颌面外科手术风险,提高手术精度.我们主要综述了目前国内外颅颌面整形手术计算机辅助术前规划的各个流程及所采用的相关算法.
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医院船医疗队虚拟手术训练平台的设计与应用研究
受各种客观条件限制,海上医疗队不能开展大量跨学科专业的、针对海上特殊环境条件下的手术操作训练.为了解决上述问题,采用集成力反馈交互设备、图形工作站、三维立体显示等硬件设备,研发相关虚拟手术仿真系统软件,设计和建立了软硬件结合,可模拟不同海况环境条件,人机交互的虚拟手术训练平台.通过该系统的应用,提高了海战救治技能训练的针对性、有效性,从而更有利于提高海上医疗救治能力.
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点对点图像配准技术虚拟膝关节单髁置换术后三维模型的构建
目的:探讨使用点对点图像配准技术虚拟膝关节单髁置换术的可行性,为该方法的拓展应用及优化手术提供试验依据.方法:选取在本院行膝关节单髁置换术(UKA)的膝关节内侧间室骨性关节炎患者为研究对象,基于膝关节MRI及CT扫描数据构建单髁置换术后膝关节三维模型,使用点对点配准技术完成虚拟假体置换操作及建立有限元模型,分析虚拟置换术后膝关节运动学变化.结果:使用点对点图像配准技术建立了完整的单髁置换术后膝关节三维模型,其运动学变化趋势与传统分析法相似.结论:点对点图像配准技术可准确完成虚拟手术,较传统方法更为简便,值得推广应用.
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三维虚拟手术实验在医学领域中的应用
三维虚拟手术实验是医生借助虚拟环境中的信息进行手术计划制定、手术演习、手术教学、手术技能训练、术中引导手术、术后康复等,信息可供手术全体医生的每一位成员共享.虚拟手术实验与真实手术相结合共同构成了较完整的实验教学体系,使得远程医学实验教学手段和教学内容丰富多样.
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仿真手术刀在虚拟手术系统中的应用
本文介绍培训了外科实习医生快速正确掌握手术刀使用的方法,依照外科医生手术习惯,研制了一套手术刀的虚拟外科模拟手术训练系统.通过细化各种结构设计、三维定位跟踪、力反馈选型,设计生成了虚拟软件系统,从而达到逼真的三维操作环境,并完成了一系列在仿真手术刀支持下进行的外科手术,实现了一个完整的虚拟手术环境,保证了教学质量,延伸了教育内涵,还为今后进一步对于各种常用手术器械的虚拟化建模研究提供了理论依据.
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基于虚拟现实的妇产科手术训练系统研究
目的:为解决传统妇产科教学实验标本缺乏、理论知识抽象以及临床手术经验不足的问题,研究了妇产科虚拟手术训练系统.方法:采用C/S系统架构,应用相应的软硬件平台,设计了基于虚拟现实的妇产科手术训练系统.结果:虚拟现实技术可以通过计算机仿真模拟妇产科手术过程,系统达到了初步设计目标.结论:虚拟手术系统不仅可以拓展教学思路,提高教学质量,还可以提升临床手术技能,必将对传统妇产科教学和实验产生深刻影响.
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计算机辅助设计在先天性中外耳畸形整复术中的应用
探讨了计算机辅助设计技术在先天性中外耳畸形整复术中的应用,方法是收集108例单侧先天性中外耳畸形患者Dicom格式的CT资料,在Mimics12.0中进行图像处理、重要结构三维重建与虚拟手术设计.所有患者均可根据对侧正常耳廓镜像,并对镜像进一步处理后获得耳廓软骨支架的三维模型,用于指导医生在术中对肋软骨的雕刻制作;108例患者中,51例根据虚拟手术结果提示适合做外耳道成形与听力重建手术,虚拟手术技术可协助医生判断患者是否适合手术及准确定位新建外耳道;其中50例可通过新建外耳道方位的微调达到与耳廓良好的美学匹配效果.由此得出结论:计算机辅助设计技术对先天性中外耳畸形手术整复具有重要的指导意义和实用价值.
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虚拟现实技术在骨外科领域的应用与展望
虚拟现实技术是利用计算机创建一种虚拟环境,并借助多种专用输入输出设备,实现用户与虚拟环境直接交互的信息技术.简要介绍了虚拟现实技术的基本概念与特点,对虚拟现实技术在骨科教学与手术培训、骨科手术、假体设计、功能康复锻炼等方面的应用进行了概述,并探讨了虚拟现实技术在骨外科领域中的发展前景.
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新鲜尸体股骨干钻削进给力与扭矩的测试研究
目的：采集新鲜尸体股骨干不同骨质层和骨段的钻削进给力与扭矩数据，为骨科虚拟现实手术系统钻削力反馈信号的输出提供特性依据。方法：改装万能材料试验机和手持可调速电钻（钻头直径d=Φ4.5、Φ5.0、Φ5.5mm）构建生物组织机械性能参数采集系统，分别以n＝500r/min、800r/min、1200r/min电钻转速和v＝10mm/min、20mm/min、30mm/min进给速度采集9具新鲜尸体股骨干405个标记点的钻削进给力F与扭矩M，分析其变化特性与相应组织和部位的关系。结果：新鲜尸体股骨干的钻削进给力F与扭矩M大小波动范围分别为26.47-68.29N与0.11-1.81N×m；当d＝4.5mm、v＝10mm/min、n＝1200r/min时，钻削进给力小 min＝31.8N；当d＝4.5mm、v＝10mm/min、n＝500r/min时，钻削扭矩小 min＝0.14N×m；当d＝5.5mm、v＝30mm/min、n＝500r/min时，钻削进给力大 max＝65.95N；当d＝5.5mm、v＝30mm/min、n＝1200r/min时，钻削扭矩大 max＝1.74N×m。骨骼钻削进给力及扭矩与电钻转速、进给速度、钻头直径、骨骼密度关系密切，其中电钻转速越小、进给速度越大、钻头直径越大、骨骼密度越密，骨骼钻削进给力越大，反之越小；电钻转速越大、进给速度越大、钻头直径越大、骨骼密度越密，骨骼钻削扭矩越大，反之越小。结论：本实验所获新鲜尸体股骨干钻削进给力与扭矩数据及其变化趋势，可为虚拟骨科手术系统力反馈输出信号设置提供依据。
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内管道Fontan术虚拟手术的血流动力学研究
目的 研究内管道Fontan手术中上腔静脉中线与心内管道中线之间(定义为Offset)的佳距离并比较不同Offset对血流动力学的影响.方法 收集心内管道Fontan患儿术后心脏磁共振影像资料,通过三维立体建模、虚拟手术技术以及血流动力学模拟,探究不同Offset距离(相当于下腔静脉直径的0、33％、67％和100％)对血管壁剪切力、血流分布、肝血流分配比以及能量损失等血流动力学参数的影响.结果 Offset为0时,患儿左肺动脉起始段存在异常高剪切力区域;同时,在上腔静脉、心内管道连接肺动脉处存在螺旋状涡流.Offset从0至100％相对应的能量损失分别为69.96 mW、50.52 mW、58.00 mW和62.94 mW;肝血流分配(左肺动脉/右肺动脉)分别为65％:35％、60％:40％、55％:45％、55％:45％.结论 不同Offset对心内管道Fontan手术血流动力学有显著的影响.综合血管壁剪切力、血流分布、肝血流分配比以及能量损失等指标,Offset 33％为该患儿佳Offset距离.
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肝脏三维重建系统在肝泡型包虫病治疗中的应用进展
包虫病又称棘球蚴病,包括由细粒棘球绦虫引起的幼虫病,单房/细粒棘球蚴病和多房棘球绦虫引起的幼虫病,多房棘球蚴病.包虫病是一种严重危害人类健康和畜牧业发展的寄生虫病,属于人兽共患寄生虫病,目前在青海省,包虫病被列为重点防治寄生虫病之一,已成为全球性的公共卫生问题.肝泡状棘球蚴病(hepatic alveolar echinococcosis,HAE)是一种特殊类型寄生虫病,在临床上较为罕见.建国初对包虫病的认识只是空白,截止1996年,全国泡型包虫病患者约600例,目前遍及青海、新疆、甘肃、宁夏、四川、西藏等地,黑龙江和辽宁也有罕见报道.该病慢性损害肝组织,在肝内浸润生长,晚期像癌症一样转移侵及其他脏器,被称为“虫癌”,预后不容乐观[1].
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海上医疗队虚拟手术训练平台系统的设计
目的:研制一种适用于海上摇摆、垂荡、颠簸环境下,海上医疗队进行跨学科专业的手术训练平台系统.方法:为解决移动便携和海上舰船环境适应性问题,采取带刹车滚轮、磁性材料固定、支架固定等措施,以集成力反馈设备、图形工作站、三维立体显示等设备建立该系统,设计能够模拟不同海况环境条件的移动虚拟手术训练平台系统.结果:在海军执行和谐使命系列任务中,医疗队员使用该系统进行胫腓骨骨折内固定术的模拟训练.经实际检验,该系统实现了设计要求,可在不同海上环境下提供虚拟手术训练.结论:该系统的应用,能提高海上医疗队员海战救治技能训练的针对性和有效性,从而有利于提高海上医疗救治能力.
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胫腓骨骨折内固定手术仿真训练系统设计与实现
目的:设计胫腓骨骨折内固定手术仿真训练系统,为医学技能训练提供新方法和新手段.方法:以具有物理属性的可操作模型为基础,建立人体组织器官的三维可视模型、软组织弹性模型和力场力感模型及手术器械仿真模型,并进行手术模拟、软组织模拟、切割模拟、海上环境模拟等关键技术集成研究.结果:建立了软硬件结合的能够模拟不同海况环境条件的虚拟手术训练平台,实现了针对胫腓骨骨折内固定手术救治的虚拟培训.结论:该系统可为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的训练环境,是对海上既往传统手术训练模式的一种突破.
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虚拟微创心脏手术中力觉信息的采集
利用等强度梁和步进电机模拟真实手术中的穿透过程,针对心脏瓣膜微创手术进行了不同穿透速度的力采集实验,获得了虚拟手术中力反馈的真实信息,也为建立虚拟人手术专家系统提供了有效的数据.实验记录了穿透曲线,发现当穿透力高于10 mm/s时心脏瓣膜的穿透力出现了峰谷交替出现的曲线;而低于这个速度时候并无明显的峰谷区别.还有一个明显的现象,穿透力随着穿透速度的增加而增加.实验数据为力反馈设备提供了实际的反馈曲线,并可以用于计算试验软组织对象的材料特性,为计算机仿真模拟提供材料参数.
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五维力反馈虚拟手术装置的优化设计
虚拟手术是虚拟现实技术在医学领域的重要应用,医生借助虚拟手术系统与虚拟环境进行交互,可以进行手术规划、手术培训和远程手术.虚拟手术系统中的力反馈设备是其重要组成部分,也是制约当前虚拟手术发展的瓶颈问题之一.力反馈技术可以使医生获得与虚拟对象交互产生的力觉,如同进行真实手术操作一样,可以使训练更真实、准确、可靠.虚拟手术系统的开发和利用可以节约培训医务人员的成本和时间.文章主要介绍了一套用于虚拟手术系统的五自由度力反馈装置,该装置不仅能跟踪入手的五维运动而且能输出五维的触觉力.以自行设计的装置为研究对象,分析其设计不完善的方面,重点分析了减速比对装置响应速度滞后的影响,并在分析的基础上对该装置进行了设计优化.
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基于PC机上颅颌面虚拟手术仿真平台的建立及应用
颅颌面解剖结构复杂使得外科手术难度较大,因此十分必要进行术前模拟以保证手术成功,颅颌面结构的三维重建与手术仿真是目前国内外研究的热点.应用薄层CT扫描数据集,利用Mimics软件对336层,层厚为1.0 mm的CT二维图像数据进行分析处理,并进行颅颌面的三维重建研究与虚拟手术设计.初步建立了数字化可视颅颌面虚拟手术仿真平台,并精确地模拟了颌面外科常见的3种手术方式,即Lefort Ⅰ截骨术、下颌角截骨术和颏成形术.结果提示在普通计算机上应用Mimics软件可以建立数字化可视颅颌面虚拟手术仿真平台,并对其应用进行了探讨,为科研、教学及临床手术规划提供了方便、快捷、直观的方法,并就虚拟手术设计在普通计算机上的应用进行了讨论.
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虚拟现实技术在髋臼手术中的应用
背景:目前国外已经对医学虚拟现实,尤其是在虚拟医学手术仿真训练等方面都进行了一定的研究和实践,但并不能完全适应骨科手术的临床需要.而髋臼骨折因其复杂性治疗困难,临床医师选择适当治疗方案和手术入路的主要依据来源于影像学检查,常难以准确判断空间立体关系.目的:综合分析虚拟现实技术在髋臼手术中的应用情况.方法:作者于2010-10通过互联网计算机检索了中国期刊全文数据库(CNKI)、PubMed数据库、万方数据库及维普数据库1980-01/2010-10以中文或英文公开发表的有关髋臼虚拟手术系统研究方面的论文,以有限元模型(Finite element model)、髋臼骨折(Acetabular fracture)、虚拟手术(Virtual Surgery)为检索词,排除方法重复、相关参数未做详细介绍的论文.结果与结论:初检得到115篇文献,保留其中32篇文献进一步分析.结果显示,髋臼虚拟手术系统可对髋臼的复杂特性进行分析,并提供在三维虚拟空间进行交互操作,以方便医生对患者的病患部位进行观察和虚拟的手术模拟,从而做出及时、准确的诊断并确定手术方案.建立可供骨科手术和手术前规划使用的虚拟平台,在医学骨科手术教学和仿真训练等方面都有良好的应用前景.
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三维重建及虚拟手术在复杂胫骨平台骨折治疗中的应用
背景：复杂胫骨平台骨折一直是创伤骨科的难题，全面的修复前评估及合理的修复前规划是临床手术的关键。
目的：探讨三维重建及虚拟手术技术在复杂胫骨平台骨折修复前评估和修复前规划中的应用价值。
方法：修复前将30例胫骨平台骨折患者CT扫描图像数据导入Mimics 13.0软件，建立复杂胫骨平台骨折三维数字化模型，对胫骨平台骨折模型进行三维数据测量，按胫骨平台三柱分型进行重新分型，在三维数字化模型上进行开窗、骨块复位、植骨的虚拟手术。
结果与结论：重建的胫骨平台骨折三维数字化模型可准确反映出骨折特点，并可进行任意角度旋转观察，可以准确的进行三柱分型。Mimics13.0软件施行的胫骨平台骨折开窗、复位、植骨的虚拟手术可以逼真模拟临床手术，并且有效估算植骨量。结果证实，三维重建及虚拟手术技术有利于复杂胫骨平台骨折的修复前评估及规划，应该作为修复前准备的常规项目。
