虚拟膝关节镜手术仿真系统的关键技术研究

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1、国防科技大学学报第29卷第1期JOURNALOFNATIONALUNIVERSITYOFDEFENSETEC~NOLOGYVol.29No.12007文章编号：1001-2486（2007）01-0076-05!虚拟膝关节镜手术仿真系统的关键技术研究熊岳山1，徐凯1，王彦臻1，谭珂2，郭光友2（1.国防科技大学计算机学院，湖南长沙410073；2.中国人民解放军总医院技术教育中心，北京100853）摘要：虚拟手术仿真系统是医学仿真训练的有力工具，在医学教育领域有很好的应用前景。结合虚拟膝关节镜手术系统开发中的实际经验，介绍了系统开发过程中的几何建模、形变计算、力

2、反馈与场景特效处理等关键技术与模拟仿真效果；文中的技术可推广应用到其他虚拟手术仿真系统的开发中。关键词：手术仿真；医学训练；力反馈；特效处理中图分类号：TP391.9文献标识码：AResearchonkeyTechniIuesforSystemofvirtualSurgerySimulationwithkneearthroscopeXIONGYue-shan1，XUKai1，WANGYan-zhen1，TANKe2，GUOGuang-you21.CollegeofComputer，NationalUniv.ofDefenseTechnology，Changsha

3、410073，China；2.CenterforTechniCueEducation，PLAGeneral~ospital，Beijing100853，China）abstract：Virtualsurgerysimulationsystemisoneoftheimportanttoolsformedicaltraining.ItcanbeWidelyappliedinmedicaleducation.Bytheexperiencesinthedevelopmentofthevirtualsurgerysystemforkneearthroscope，Weint

4、roducethekeytechniCuesaboutgeometrymodeling，deformationcomputing，mechanicsfeedbackandspecialeffectprocessing.Themethodsdevelopedinthispapercanbeextendedtoothervirtualsurgerysimulation.keywords：surgerysimulation；medicaltraining；mechanicsfeedback；specialeffectprocessing［1］建造了世界上第一个虚拟手术

5、仿真系统，它可以用于观察关节移20世纪80年代，Delp和Rosen植手术的过程与结果。在1991年，Satava［2-3］完成了第一个腹部手术的仿真系统，它的结果虽然和真实感与交互性的要求相差甚远，但却提供了在组织周围漫游来观察组织并使用虚拟的手术器械来进行手术动作的手段。目前，国外已经有许多研究机构和商业公司对虚拟手术仿真中的实时力反馈交互技术展开了研究和实践，具有代表性的是：德国的卡尔斯鲁厄研究中心（ForschungszentrumKarlsruhe）的UWeG.Khnapfel［4］等人于1997年研制成功虚拟腹腔镜手术训练系统KarlsruheEnd

6、oscopicSurgeryTrainer。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，使面模型形变表现出体行为，满足了实时性和逼真性的要求；该研究中心于2002年又推出了系列系统VSOne。美国GEResearch&DevelopmentCenter开发了医学虚拟内窥镜系统（virtualendoscopymedicalapplication：VEMA）。该系统

7、采用先进的分割、重建、显示和自动路径规划算法，使用器官的CT或MRI切片图像，生成器官的3D内表面模型，模拟视频内窥镜的功能。VEMA支持多视图技术，如细节放大、同步显示器官内外3D视图、组合2D和3D表面视图，在人体空腔管道中交互移动或自动航行，并且提供了交互式解剖结构测量工具。VEMA可应用于人体许多区域：虚拟结肠镜、支气管、血管镜检查等。其采用的目标器官的CT和MRI图像同周围组织的对比度较好，主要用于医疗人员的培训和教学。相!收稿日期：2006-08-05基金项目：国家自然科学基金资助项目（60371036）作者简介：熊岳山（1963—），男，教授，博士

8、。熊岳山，等：虚拟膝关节