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风池穴针刺的力反馈研究
通过力反馈装置,录取钟灸专家的风池穴针刺手法,融入数字化虚拟人体,运用虚拟现实技术,构建虚拟风池穴钟刺力反馈仿真系统,使操作者达到一对一的高仿真学习效果.在融合了风池穴信息的三维数字人体上,根据风池穴下各组织的物理特性,分析针刺过程中针体与组织的相互作用力,建立力学模型模拟针体受力,并通过力反馈设备真实地传递给操作者.初步实现了风池穴虚拟针刺力反馈仿真,使可视化的钟灸虚拟人具有可现场模拟风池穴进针的触觉再现.风池穴针刺力反馈研究,为融合视觉、触觉和力反馈信息一体化的虚拟针刺作了初步探索,为针刺教学提供了一种动态的一对一仿真手段.
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基于力反馈的腰椎内固定虚拟手术训练系统构建
目的 为实现虚拟手术环境全方位的实时交互,本文针对脊柱腰椎椎弓根螺钉内固定手术构建了虚拟手术训练系统.方法 通过脊柱模型的虚拟几何建模和纹理渲染以高真实感地模拟真实虚拟手术环境,同时基于椎体骨的体素模型通过多点碰撞检测算法和钻骨力预测经验模型,实现钻骨操作的碰撞检测及反馈力实时计算,并模拟椎弓根钉植入过程的视觉和触觉感受.结果 该虚拟手术训练系统实现了虚拟视觉及虚拟力触觉的实时交互,模拟了椎弓根钉植入操作手感.结论 虚拟手术训练系统为椎弓根螺钉内固定手术操作提供了视觉与力触觉模拟,实现了一种精确、安全、灵活的训练方式.
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交互式微创手术机器人系统研究进展
微创手术相对于传统的开刀手术,创口面积较小,可以很大程度减小对人体的伤害,提高医疗器械的利用率.然而,微创手术也存在灵活性和操作特性受限等缺点.交互式微创手术机器人系统不仅改善了微创手术的稳定性、安全性和准确性,还在控制手术机器人时引进了力反馈,是微创手术领域新的发展方向.本文综述了交互式微创手术机器人系统的发展现状和实现人机交互的关键技术,后对其发展做出展望和总结.
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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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虚拟手术中软组织形变建模及力反馈算法研究
基于弹簧-质点模型,建立一种改进的软组织实时形变模型.在正六边形拓扑结构软组织表面模型中,增加了虚拟体弹簧,以实现更加真实的形变效果.在系统中各质点处,表面弹簧形变量的叠加等效为物体表面形变,各质点处虚拟弹簧弹性力的合力等效为物体表面的接触力.该模型继承了经典弹簧质点模型的原理简单、易建模、计算速度快等优点,同时还具有控制变形区域的能力.基于此模型,利用PHANTOM触觉交互设备,进行了软组织形变以及实时虚拟力反馈仿真实验.实验表明,该模型效果逼真,反馈力刷新一次小于l ms,能够满足虚拟手术系统实时性的要求.
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基于虚拟现实的面向大众急救培训系统研发
虚拟现实技术应用于急救培训,对普及急救知识和急救技能具有重要意义.本文提出,可利用虚拟现实、综合力反馈等技术建立一个面向大众的、完整的、急救培训系统,使广大群众通过该系统更有效地学习急救知识,提高急救技能.
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基于手术刀的虚拟外科手术系统的设计
本文着眼于培训外科实习医生熟悉并体验使用手术刀进行外科手术的过程,从外科医生做手术时抓持手术刀的实际情况出发,从手术力学分析入手,设计了一种基于手术刀的虚拟外科手术系统.该虚拟外科手术系统专用的仿真手术刀符合外科医生实际操作习惯,具有较好的实用性,其配套软件系统可以提供逼真的三维虚拟场景.在所建立的虚拟手术台上所做的虚拟切割实验表明,该虚拟外科手术系统可以使操作者体验到真实做手术的感觉,完全可用于外科医生的培训当中.
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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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基于虚拟现实技术的膝关节微创手术规培系统的研发
目的:基于虚拟现实(VR)技术的膝关节微创手术规培系统是专门用于初学者了解膝关节腔内组织结构,并熟练掌握膝关节微创手术全过程的虚拟现实培训平台.方法:其主要模块包括医学数据的可视化、膝关节腔内组织动态模型、膝关节腔内组织器官的应力形变仿真、模拟微创手术案例展示、力反馈和传感器应用、高速图形显示与图像处理等.结果:VR技术可以通过计算机仿真模拟膝关节微创手术培训过程,系统达到了设计目标.结论:系统为初学者熟练掌握膝关节微创手术技能,提供了良好的培训平台,同时也为我国医学教育技术创新与进步起到了抛砖引玉的作用.
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基于力反馈的个性化口腔种植钻孔手术仿真系统研发
目的:开发一套用于口腔种植钻孔手术的仿真系统,旨在利用力反馈技术模拟手术钻孔过程,进行术前训练,并对初学者进行培训.方法:以力反馈设备Omega.6为硬件平台,使用CHAI3D、Qt、VTK等免费开源软件库,对三维重建的模型进行网格细分,并提出一种逐级扩孔方法.结果:开发了一套基于力反馈的个性化口腔种植钻孔手术仿真系统DDS(Dental Drilling Simulator).结论:基于力反馈的口腔种植钻孔手术仿真系统能模拟真实手术中的典型病例,实现真实手术中的逐级扩孔操作,有助于口腔种植手术的数字化信息建设.
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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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超重和肥胖与胰岛素抵抗--大网膜脂肪细胞张力反馈学说
1重新认识肥胖的危害肥胖是心血管疾病(CVD)的高危因素.2005年国际糖尿病联盟(IDF)提出的代谢综合征诊断标准,其核心是中心型肥胖.通常认为,肥胖患者易发生胰岛素抵抗(IR),所有肥胖患者CVD风险大大增加.
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医学领域中数字虚拟人的研究进展及探讨
数字化虚拟人体结合了医学和计算机科学的新成果,运用信息技术建立数字化的人体各个层次的计算机模型,实现了人体的数字化描述,为医学研究、教学与临床提供了形象而真实的模型,可提高医学教学和科研水平,指导临床诊断和治疗.数字化虚拟人体的研究将通过对基因、蛋白质、组织和器官形态及功能的数字化描述,终达到对人体信息的整体精确模拟.数字化虚拟人体研究是一项巨大的系统工程,集成了新的科技成就,它的研究在医学与计算机的结合上、在涉及人体模拟的许多方面开辟了新的研究领域,将促进一系列相关学科研究的深入,具有广泛的应用前景.
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上肢康复训练机器人虚拟环境建模技术
目的:以往基于虚拟环境的康复训练系统大多数强调视觉反馈,实验针对单自由度上肢康复训练机器人系统,建立康复训练的人机交互虚拟环境,在训练过程中利用力反馈和视觉反馈为患者提供暗示和帮助,并验证其可行性.方法:单自由度上肢康复训练机器人系统可以绕轴心进行反复的圆弧运动,对实际运动和虚拟环境中的路径进行映射,建立三个不同级别的康复训练虚拟环境模型.患者通过机械臂跟踪虚拟环境中的引导小球,并控制虚拟小球的运动,患肢的运动结果以视觉反馈的形式显示在屏幕上.同时,在规划路径周围构建虚拟力势场,根据实际运动与预测运动的位置误差为患者提供相应的力反馈,提示并帮助患者向正确的方向运动.利用该系统对一名健康女性进行初步的实验研究.结果:①虚拟环境实现了患肢的实际运动到虚拟运动的映射,患者可通过机械臂控制虚拟物体的运动.②当患肢实际运动与预测的位置存在误差时,虚拟环境可以通过训练机械臂为患者提供力反馈.结论:利用该思路构建的虚拟环境可以实现康复训练过程中的力觉和视觉交互,为患者提供及时的暗示和帮助,在康复训练机器人领域有一定的应用前景.
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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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数字虚拟人体上针刺手法学的VR再现
背景：将穴位解剖立体构筑形态融入针灸手法学教学，结合数字化虚拟针灸人计划的实施和应用，将能极大地提高教学效果和学习兴趣。目的：对融合了虚拟现实力反馈技术与组织形变技术的针灸虚拟人进行研究。方法：运用虚拟现实技术，以计算机为核心生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围虚拟环境，采集临床专家针灸手法，匹配能够体现针刺力度、位移和速度感的传感设备，基于虚拟人的图像分割建立人体组织力学模型，搭建虚拟针刺力反馈系统，通过力反馈设备真实地传递给操作者。一方面，基于VOXEL-MAN虚拟人体开发平台，完成了腧穴的针灸学三维浏览器再开发，给人以视觉感知；另一方面，基于近代生物力学理论，运用图形与图像处理技术和力反馈技术进行建模，将针刺时穴位区组织各层结构的受力过程以虚拟现实和力反馈的方式，给人以触觉感知。结果与结论：完成了虚拟针刺力反馈系统人机互动操作平台，操作者既可从显示器中看到毫针进入人体组织的动态过程，又可在力反馈仪控制末端感受到真实反作用力。通过操作力反馈仪控制虚拟环境中的毫针，对虚拟人施行针刺。该系统达到了2个要求：所示与各个组织相互作用所产生的反馈力变化与用仪器测得的真实针灸反馈力数据相近，毫针进入不同的组织，力感变化明显，有随层次递进的感觉；达到逼真的体验。在整个训练过程中，图像显示平滑，虚拟针体反应灵敏，较好地满足了虚拟现实的要求。
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肾俞穴针刺的力反馈研究
背景：采用以计算机为核心的各种技术，将针灸专家正确有效的针刺方法，生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的计算机虚拟环境进行模拟针刺，能够极大增强操作者的真实感，减少临床针刺意外的发生。目的：构建虚拟肾俞穴针刺力反馈仿真系统。方法：通过力反馈设备，录取针灸名师的肾俞穴针刺手法，融入数字化虚拟人体。运用虚拟现实技术，在融合了肾俞穴信息的三维数字人体上，根据肾俞穴下各组织的物理特性，分析针刺过程中针体与组织的相互作用力，建立力学模型模拟针体受力，并通过力反馈设备真实地传递给操作者。结果与结论：初步实现了肾俞穴虚拟针刺力反馈仿真，使可视化的针灸虚拟人具有可现场模拟肾俞穴进针的触觉再现。肾俞穴针刺力反馈研究，为融合视觉、触觉和力反馈信息一体化的虚拟针刺作了初步探索，为针刺教学提供了一种动态的一对一仿真手段。
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计算机手术仿真技术在颅颌面畸形修复手术中的研究进展
颅颌面畸形的修复手术耗时耗力,而且效果往往欠佳;运用计算机手术仿真技术辅助术前规划,能减少术中一些不必要的风险,既缩短了手术时间,也改善了手术修复所能达到的效果.将基于FreeForm系统的计算机手术仿真技术应用到颅颌面畸形的修复,能使整个虚拟手术过程形象逼真,沉浸感强,并能实时感受到力的存在,给操作者带来真实手术的体验,同时也能准确预测术后的修复效果.笔者简述了计算机手术仿真技术在颅颌面外科的发展,以及将基于FreeForm系统的计算机手术仿真技术引入到颅颌面畸形修复手术中带来的一些优势.
关键词： 颅颌面外科 手术仿真 力反馈 FreeForm系统 -
数字化虚拟人体为针刺手法研究提供新的平台
数字化虚拟人体研究是以先进的信息技术和生物技术相结合的方式进行真实人体信息数字化的研究.针刺手法是针灸的精华和针刺疗效的关键,虽然诸多研究人员对针刺手法进行了有益的探索,但都不令人满意.在针刺研究领域中采用数字化虚拟人体研究,可实现针刺手法的三维立体表达,可以精确形象地展示针刺操作的手法过程,可使针刺手法的效应机制研究取得更大的进展.在总结众人研究的基础上,认为借助数字化虚拟人体进行针刺手法的深入研究意义重大.
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数字人体的针灸力感虚拟现实初步研究
讨论了虚拟现实技术在三维数字人体和穴位研究中的应用.在融合了腧穴组织结构信息的三维数字人体基础上,根据各组织的物理特性,分析针灸过程中针体与组织的相互作用力,以及部分行针模式中的力感特征,建立力学模型模拟针体受力,并通过力反馈设备真实地传递给操作者,为视觉和触觉信息融合一体的三维针灸人体建模作了初步探索,为针灸教学提供了一种动态的仿真手段.
