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虚拟现实技术在医学中的应用
虚拟现实技术是多学科交叉融合的结晶,目前已经在许多领域得到了广泛应用与快速发展.本文介绍了虚拟现实技术在虚拟手术、远程医疗、康复训练、医学教育与培训等几个方面的应用,并对虚拟现实技术在医学中的应用前景进行了展望.
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基于VTK的虚拟手术系统中的关键技术
本文介绍了虚拟手术的关键技术和基于工具包VTK的系统设计流程,详细介绍了VTK中实现三维重建的面绘制和体绘制的过程.
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支持力反馈的胆囊虚拟手术机器人仿真系统研究
本文利用虚拟现实技术搭建了一个支持力反馈的胆囊虚拟手术机器人仿真系统.主要讨论了本系统中涉及的软组织虚拟模型构建、碰撞检测、力反馈计算、虚拟机器人的设计及运动控制、虚拟环境搭建等关键技术的实现方法.并对于传统力反馈计算中存在的计算量大导致系统实时性较差的问题,提出了一种新的力反馈计算方法.通过在所搭建平台上进行的胆囊虚拟手术操作,分析该系统的性能指标.结果表明,该系统中机器人运动控制较为流畅,对于胆囊的虚拟手术操作具有较为真实的力觉反馈和视觉反馈,且系统具有较好的稳定性及实时性.
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虚拟现实及其在现代医学中的应用
虚拟现实是运用计算机对现实世界进行全面仿真的技术,它已经被广泛地应用于许多领域;而虚拟现实技术和现代医学技术两者之间的融合,使得虚拟现实对生物医学领域产生了巨大影响.本文在简述虚拟现实技术的基础上,从虚拟手术、虚拟医学教育、虚拟药物开发、虚拟人(器官)、虚拟现实精神疗法以及虚拟的远程医疗系统等几个方面介绍了虚拟现实在医学上的应用.
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支持力反馈的个性化膝关节置换虚拟手术仿真系统的研究与构建
应用传统外科手术培训模式发展的医师队伍无法满足当前日益激增的膝关节病患就医需求,研究构建一套基于虚拟现实和力反馈技术的个性化膝关节置换手术仿真系统.采用医学影像三维重构技术创建膝关节解剖组织几何模型,应用正向CAD参数化建模技术建立手术器械的几何模型,研究三角网格体素化算法,并基于此生成组织和器械的物理体素模型;通过设备接口和虚拟代理点的坐标匹配映射建立手术器械的力触觉模型,AABB包围盒层次树作为碰撞检测模型,空间重叠相交模拟组织的切割变形,基于单点约束的力触觉渲染方法建立组织和器械的虚拟操作过程;以力反馈设备Phantom Omni和计算机为硬件平台,基于触觉引擎CHAI 3D和OpenGL等软件接口,开发构建虚拟膝关节置换手术仿真系统;将专业医学人员体验系统后实际手术操作训练时间与对照组的作比较,并采用问卷调查的形式对系统作出等级评估.结果表明,仿真系统可实现个性化膝关节置换手术沿规划路径钻孔和截骨操作的组织形变和力触觉反馈的仿真模拟,并且系统仿真的实时性能良好,视触觉刷新频率维持在60～1 000 Hz左右;统计结果显示,两组成员的实际手术操作时间存在显著性统计学差异(P＜0.04),问卷结果皆在平均优良水平(8分)之上(P＜0.05).仿真系统为个性化膝关节置换手术提供一种安全、可靠、有效的医学培训和术前演练方式.
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虚拟手术中带摩擦的碰撞力计算及其物理仿真研究
虚拟手术训练中,碰撞力的计算必不可少,常见的碰撞力计算中,经常会忽略碰撞体之间的摩擦.提出一种带有摩擦的碰撞力计算方法.首先,建立计算机图形学物理仿真中为常用的粒子系统,总体的常微分方程通过隐式欧拉方法求解,通过碰撞检测找出潜在的碰撞点,建立碰撞约束和摩擦约束数学模型,再通过类高斯-赛德尔算法求解出摩擦接触力.然后分别进行10次单接触面和双接触面的接触碰撞实验,分析其相应时间和稳定后起伏平均值,再进行100次多接触点碰撞实验,分析其平均运算时间.实验表明,在单接触面和双接触面接触的情况下,模型碰撞的平均响应时间为0.02 s,接触力稳定后的平均起伏范围为±0.02个单位.在多接触点接触的实验中,11个接触点接触时,平均每个接触点的运算时间为1.9 ms,满足物理仿真的实时性要求.
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基于自适应混合肝脏模型的建立
基于黏弹性力学模型,建立一种自适应无网格迦辽金与广义表面网格混合模型.手术区采用自适应无网格迦辽金法,非手术区采用广义表面网格法,在手术区域和非手术区域之间建立过渡区域,过渡结点满足力和位移的平衡,以实现两个区域的无缝耦合.基于此模型,对人体肝脏进行形变仿真实验.实验表明,该模型在与无网格迦辽金模型形变状况相同的前提下,单步执行时间由17.4 ms降低到12.9 ms,帧频由57.47帧/s提高到77.52帧/s.该模型继承了无网格迦辽金模型的优点,同时提高了模型的实时性.
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虚拟手术训练系统中软组织切割模型的研究进展
虚拟手术仿真训练系统(VSSTS)较好地解决了传统临床医生培训方法中存在的培训周期长、成本高和训练对象匮乏等方面的问题,是一种经济有效的替代训练方式.人体软组织切割作为各类实际手术中为常见和核心的手术操作类型,对其进行逼真的模拟一直是虚拟手术仿真系统研究中的难点和热点问题.在简要介绍软组织切割模型发展历程后,分别从基于网格和无网格两大建模体系对目前已提出的多种软组织切割模型进行介绍,分析并总结各种建模方法的优缺点及其在各类虚拟手术仿真系统中的具体应用实例.除此之外,针对近年来新提出的混合模型进行分析,并从仿真效果与计算速度角度对未来的发展方向进行展望.
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胫骨平台复杂骨折虚拟手术三维重建治疗的临床效果研究
目的：探讨胫骨平台复杂骨折患者术前应用虚拟手术三维重建治疗的临床价值。方法对30例行常规手术治疗的胫骨平台复杂骨折患者（对照组）和30例术前应用虚拟手术三维重建治疗的胫骨平台复杂骨折患者的临床资料进行回顾性分析。对比两组患者术中出血量、手术时间、术后满意度评分及骨折愈合时间，同时对两组患者进行为期6个月的随访，对比两组患者术前及术后6个月膝关节功能评分（ HSS）及关节活动度的改善情况。结果观察组术中出血量明显少于对照组，手术时间及骨折愈合时间明显短于对照组，术后满意度评分明显优于对照组。术后6个月两组HSS评分均显著改善，但观察组改善程度较对照组更为明显。两组术前及术后6个月平台内翻角比较均无统计学差异，但观察组术后6个月关节活动度改善程度优于对照组。结论胫骨平台复杂骨折患者术前应用虚拟手术三维重建治疗可明显提高治疗效果。
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基于真实切割的虚拟手术中力觉模型建模方法研究
本文提出了一种基于真实切割数据的用于虚拟手术的力觉模型建模方法.从能量守恒和状态转换角度,对真实切割力变化曲线进行了详细分析,研究了确定生物体材料断裂强度,和粘弹性变形时应力-应变关系的方法.研制了一种手术刀力采集装置,该装置能够同时采集手术刀刃上的受力,刀的位姿信息,以及运动速度信息,具有结构紧凑,精度高,使用方便的特点.为基于真实生物体软组织切割力的虚拟手术中力觉模型建模提供了必要的条件.
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国产3D打印种植导板系统的临床精度分析
目的 在种植义齿的手术过程中,3D打印导板已被认为能有效提升手术精度、降低相关风险.但国外软件在应用上存在一定的限制,该文对国产手术模拟软件E-3D三维数字化医疗设计系统进行了临床试用,并对其辅助临床种植手术的精度进行了评价.方法 对5例患者进行锥形束CT数据采样、石膏印模光学扫描,将上述数据导入手术模拟设计系统,制作牙支持式的计算机辅助设计/制作(CAD/CAM)种植导板.使用树脂3D打印机完成导板制造,按医疗要求处理后进行临床应用.种植后再次通过锥形束CT进行采样,对实际种植位置与预期种植位置进行比较,测定种植体顶部中点、底部中点的位置偏差和角度偏差,并与国外文献数据进行对比.结果 种植体颈部偏差(0.805±0.567) mm,底部偏差(0.957±0.518) mm,角度偏差(3.124±1.582)°,与文献值比较差异均无统计学意义(P＞0.05).结论 该国产设计系统与国外系统效果基本一致,可以在临床推广使用.
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集成化三维虚拟手术系统的设计
目的 解决虚拟手术系统中图像处理与三维可视化等方面的关键问题.方法 利用VTK的可视化功能与ITK强大的图像处理功能,将它们集成起来,研究图像分割、图像配准与融合、三维重建与虚拟切割等关键技术.结果 利用VTK与ITK,实现了图像的准确分割、多模态图像配准、三维重建与显示,并能进行三维虚拟切割.结论 这种集成化的三维虚拟手术系统,可以使医生直观地观察手术过程与效果,提高手术的安全性与质量.
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基于医学图像的三维模拟手术
目的 对实现三维模拟手术的关键技术进行研究,构建基于医学图像的三维模拟手术平台. 方法在VC++平台下,使用三维分割算法对体数据进行分割,结合VTK对读入的体数据进行交互式三维重建和虚拟切割,并对各种虚拟切割方式的性能进行分析. 结果实现了医学CT/MR图像的交互式三维重建、虚拟手术刀切割以及虚拟手术规划. 结论该系统可以辅助医生对手术过程进行模拟,为医生观察三维人体组织器官结构及病灶部位,实施辅助手术提供有力的帮助.
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女性盆腔的可视化研究及其意义
目的建立中国女性盆腔三维可视化数字模型.方法应用首例中国女性数字化可视人体数据集,在VRM计算机平台上进行女性盆腔的可视化研究.结果成功建立了三维可视化女性盆腔模型,该模型能进行任意方位的旋转,可进行连续的任意角度的切割,并能清晰地显示出各个方位切割面的断面解剖结构.结论可视化女性盆腔能够提供各个方位、完整而准确的薄层断面数据,为妇产科及外科手术治疗提供了准确的形态学依据,为虚拟手术奠定了基础.
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3D打印技术结合虚拟手术与传统手术在治疗复杂胫骨平台骨折的应用疗效比较
目的:比较分析3D 打印技术结合虚拟手术与传统手术在治疗复杂胫骨平台骨折(SchatzkerⅤ~Ⅵ型)中的临床疗效.方法:回顾性分析本院2014年1月~2015年8月收治的24例复杂胫骨平台骨折患者的临床资料,男17例,女7例,年龄19~57岁,平均37.4岁,骨折按照Schatzker分型:Ⅴ型16 例,Ⅵ 型8 例;其中12例术前采用三维CT重建,测量骨折块分离距离及关节面塌陷距离,3D技术打印实体模型,并在3D模型上模拟手术,术中按术前计划手术(3D技术结合虚拟手术组即观察组);另外12例行常规CT扫描,术前准备及手术(传统手术组即对照组).记录2组患者手术时间、术中出血量、骨性愈合时间、并发症发生率,术后摄X线片观察骨折复位情况,术后12个月按照HSS标准进行膝关节功能评分结果.结果:所有患者获得随访12~18个月,平均14.6个月.观察组手术时间、术中出血量、骨性愈合时间及术后12个月HSS评分分别为80.5±10.5分钟、432.6±250.5mL、3.5±0.7个月、89.7±9.4分,较对照组的143.6±20.5分钟、778.5±310.6mL、4.6±0.4个月、78.4±6.6分,差异具有统计学意义(p<0.05).术后摄膝关节X线片,观察组: 解剖复位10例,移位<1mm1例,移位>1mm 1例,解剖复位率83.3%;对照组: 解剖复位7例,移位<1mm2例,移位>1mm3例,解剖复位率58.3%,2组间比较差异有统计学意义(P<0.05).结论:3D打印技术结合虚拟手术在复杂胫骨平台骨折治疗中能缩短手术时间、提高手术准确性,安全性,降低创伤性关节炎发生率,促进膝关节功能恢复.
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坏死性胰腺炎大鼠肠粘膜细胞表皮生长因子及其受体表达的变化
利用大鼠坏死性胰腺炎模型，测定小肠粘膜上皮细胞内表皮生长因子(EGF)含量、及其受体与mRNA表达。探讨这些变化与坏死性胰腺炎肠粘膜屏障损伤的关系。 1.材料与方法：(1)动物与分组：采用雄性Spragure-Dawly大鼠50只，体重340～380 g，随机分为5组：虚拟手术组(Ⅰ组)；其余4组分别为制模后3 h组(Ⅱ组)、6 h组(Ⅲ组)、12 h组(Ⅳ组)处死和自然死亡组(Ⅴ组)。(2)大鼠急性坏死性胰腺炎模型的制备：采用2.5%戊巴比妥钠，1 ml/kg腹腔内麻醉后，腹部正中切口打开腹腔，在胆总管进入十二指肠开口下缘处用金属夹夹住十二指肠，然后向胰管方向注入5%牛磺酸钠1 ml/kg，注射完毕后用丝线结扎胆总管，2 min后松开银夹及胆总管处的丝线，关腹。虚拟手术组，操作同试验组，注入等量生理盐水，术后自由饮水。(3)方法与步骤：切取1 mm×2 mm的空肠组织块，3%戊二醛固定，依次脱水、包埋、超薄切片及醋酸铀、枸橼酸铅双染色，在透射电镜下对小肠粘膜细胞超微结构进行观察。于屈韧带远侧取近段空肠2 cm，甲醛固定，常规脱水，石蜡包埋，5 μm连续切片，待作免疫组织化学及原位杂交染色。采用ABC法进行小肠粘膜细胞EGF及EGF受体的免疫组织化学染色，EGF受体mRNA采用地高辛随机引物原位杂交法。在单盲情况下应用四川大学研制的MIAS-300全自动图像分析仪，在每张免疫组织染色及原位杂交染色切片上任意选取20个阳性细胞进行吸光度扫描，计算平均吸光度值(A)，即单位面积内EGF含量、EGF受体或EGF受体mRNA的表达。结果以均数±标准差表示，应用第四军医大学统计教研室SPLM统计软件进行统计学处理。
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关节置换虚拟手术的数字化背景
目的：通过对模拟仿真手术发展进程的历史回顾，阐明关节置换虚拟手术的数字化背景。方法查阅国内外近年有关虚拟手术的新文献，归纳、整理、总结出关节置换虚拟手术的数字化原理。结果遵循三维重建、图像融合、图像分割、人机交互、离线仿真等基本步骤，一些简易的虚拟手术在计算机软件辅助下得以实现。结论数字化技术贯穿着虚拟仿真二十多年的进程，这一高新医技既有科研效应，又有教学效能，更有临床效益，因而前景无限。
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肝脏仿真手术的研究
目的 研究肝脏切割手术仿真系统的方法.方法 取肝门部保留完好的完整肝脏,分别以不同颜色灌注材料对肝动脉、门静脉、下腔静脉、肝静脉和胆管系统进行灌注、固定、铸型、包埋、冰冻和铣切,获取连续肝脏断面图像数据集.数据集图像经配准和分割后,使用MIMICS 9.0软件进行肝脏三维重建,采用自由设计模型系统及其附带软件(GHOST)和力反馈设备(PHANTOM)建立虚拟肝脏切割手术环境系统,并对肝脏左外叶切除术和右肝切除术进行了模拟.结果 肝脏管道灌注和铸型良好,铣切后获取连续肝脏断面图像910张,图像清晰,三维重建肝脏模型形态逼真,在建立的虚拟肝脏切割手术环境系统中,沉浸感强,交互性好.PHANTOM可对肝脏模型进行随意放大、缩小、旋转等控制,通过PHANTOM操纵"虚拟手术刀"对肝脏模型进行随意切割.结论 在力反馈设备的基础上进行虚拟肝脏切割手术、仿真手术的过程和结果基本符合临床实际情况.
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基于64排螺旋CT扫描数据三维肝脏手术仿真的研究
目的 研究基于64排螺旋CT扫描数据的三维肝脏虚拟手术的设计和仿真效果,以及基于自由设计模型系统(FreeForm Modeling System)的虚拟手术的可行性.方法 采集正常人肝脏64排薄层扫描数据集,利用医学三维重建软件(MIMICS软件)进行肝脏及其肝内血管三维重建,并将重建的肝脏及其管道模型、人工绘制肝脏肿瘤模拟物导入FreeForm Modeling System,利用力反馈设备(PHANToM),对肝脏模型进行手术切割.结果 通过旋转和放大目标物体,肿瘤与肝内血管的立体关系能清晰展示.根据手术原则,使用PHANToM操纵"手术刀",仿真左外叶切除,术中肝内管道结构容易识别,其过程基本符合临床肝脏肿瘤切除的手术过程并可调节目标物体的强度,感受切割时力反馈的大小.结论 利用FreeForm Modeling System虚拟手术系统仿真肝脏手术切割,可以制定合理的个体化手术方案,减少并发症发生,提高手术成功率.
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计算机辅助外科的现状和前景
现代科学技术的高速发展体现在多门学科的相互交叉和渗透.虚拟手术(virtual surgery,VS)是指利用各种医学影像数据,运用虚拟现实技术在计算机中建立一个模拟环境,医生借助虚拟环境中的信息进行手术计划、训练,以及在实际手术过程中引导手术的新兴技术,是计算机辅助外科(computer-assisted surgery,CAS)的一种形式,是集医学、生物力学、机械学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机械力学、材料学、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域[1].
