虚拟膝关节镜前交叉韧带修复手术仿真.docx

绪论前言：虚拟现实技术是20世纪90年代以来兴起的一门新技术，虚拟现实（Virtualreality,VR）概念由美国人加隆.兰里尔(JaronLanier)在20世纪80年代初正式提出来的。虚拟现实系统的一些基础研究开始于60年代，后来随着显示技术、传感技术、多媒体技术及视频技术的发展，虚拟现实技术开始活跃。近年来，虚拟现实技术的迅速发展为疾病的诊断、治疗、康复以及医学教育与培训提供了一种新的方法。1.1虚拟医学手术系统的发展在传统手术中，医生是在自己的大脑中进行术前手术模拟，以确定手术方案，这是顺利进行手术所必须的准备工作，然后根据其在大脑中形成的三维印象进行手术，但这种手术方案质量的高低，往往依赖医生个体经验与技能，且整个手术班子的每一位成员很难共享某一制定手术方案人员在其大脑中形成的整个手术方案的构思信息。使用计算机代替医生思维进行手术方案的三维构思比较客观、定量，且其信息可供整个手术班子的每位成员共享。如果引入CT等三维图像，就可对具体图像与同行进行交流，在虚拟空间进行三维手术模拟，并制订出较为完善的手术方案。如果所设想的空间与现实空间及位置能够正确对应，在手术中就可随时以此为参考。虚拟手术（Virtualsurgery）就是利用各种医学影像数据与虚拟现实技术在计算机中建立一个模拟环境，帮助医生进行手术计划、训练以及世纪手术过程中引导手术。虚拟手术的主要应用有：(1)手术方案的制定。虚拟手术利用图像数据，帮助医生合理制定手术方案，可以预演手术的整个过程以便事先发现手术中问题。能够使得医生能够依靠术前获得的医学影像信息，建立三维模型，在计算机建立的虚拟的环境中设计手术过程，进刀的部位，角度，提高手术的成功率。例如，虚拟手术能够设计植入人工假体，帮助医生在进行髋骨更换手术前通过三维成象对其尺寸和形状进行精确测量，然后定制髋骨，这样可以把因尺寸不合格而重新开刀的比例大大降低。(2)手术培训。医生可在虚拟手术系统上观察专家手术过程，也可重复实习。虚拟手术使得手术培训的时间大为缩短，同时减少对昂贵的实验对象的需求。在虚拟环境中进行手术，不会发生严重的意外，能够提高医生的协作能力。对医务人员来说较危险的动作，如在感染或放射情况下，采用虚拟临场技术可以使医生免受射线的侵害。(3)远程医疗。虚拟手术与远程干预使得手术室中的外科医生能实时地获得远程专家的交互式会诊，交互工具可以使顾问医生把靶点投影于患者身上来帮助指导主刀外科医生的操作，甚或通过遥控帮助操纵仪器。这能使专家们技能的发挥不受空间距离的限制。(4)手术导航。用真实的三维图像进行手术模拟的研究进展很快，将来，如果在模拟手术中加入变形力来模拟及感觉反馈的功能，将可成为医学教学的工具。由于模拟环境是单独构成的，也就是说，虚拟空间与真实空间(手术对象脏器)的位置并不一致。为解决这一问题，可以制作出脏器模型与模拟的虚拟空间位置一致且可用三维指示器选择模型的各个部位。如果手术室中患者的实际脏器与模拟的虚拟空间位置相对应，这一系统就可代替脏器模型，用于手术指挥。当用三维指示器选择脏器的某一点时，立即就可显示含选择点在内的断层图像，并在该图像上标记当前所选择的部位。它类似于卫星地面定位系统，能够实时地显示自己目前所在的地点在地图上的位置。(5)虚拟医院。如果在计算机的某一虚拟空间上集中有某一手术方案的信息，为数众多的手术医生就可以借助网络共享其信息。为实现这一目的，首先要将从初诊到治疗这一阶段患者的医疗数据汇总到电子化的数据库中，并统一病例卡的书写方法、图像处理数据的格式、通信方法，医院内外均可共享的数据；其次，在虚拟的空间中设置图像诊断支援系统及手术模拟系统等，众多的医生可通过网络共同协调工作。这样一种网络上的虚拟医院，可使整个虚拟医院的成员共享诊断图像及检查数据，并通过图像、声音、文字等多媒体技术进行交流，共同筹划手术方案及进行手术模拟，并可实时根据手术进展情况对手术医生提供支援。1.2国内外发展情况现在世界各国都在致力于开发手术模拟系统，在这个方面日本欧美等国家的研究起步较早，目前在虚拟手术技术的各个方面也都处于领先状态。随着计算机图形技术及虚拟仿真技术的不断发展，手术模拟系统的开发工作也取得了很大的进展。德国的卡尔斯鲁厄研究中心(ForschungszentrumKarlsruhe)的UweG．KtihnapfelI4等人于1997年研制成功虚拟腹腔镜手术训练系统KadsmheEndoscopicSurgeryTrainer。他们开发了功能强大的3D模拟软件KISMET作为训练系统的核心软件，可完成实时的物理学模拟、运动学模拟以及快速的3D图形渲染等功能。该训练系统采用弹簧振子(maSs—spring)模型模拟子宫等软组织形变，通过添加父结点使物体两侧的结点产生联系，使面模型形变表