面向上颌骨骨折复位手术虚拟系统设计.doc

该【面向上颌骨骨折复位手术虚拟系统设计 】是由【雨林书屋】上传分享，beplayapp体育下载一共【15】页，该beplayapp体育下载可以免费在线阅读，需要了解更多关于【面向上颌骨骨折复位手术虚拟系统设计 】的内容，可以使用beplayapp体育下载的站内搜索功能，选择自己适合的beplayapp体育下载，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此beplayapp体育下载到您的设备，方便您编辑和打印。面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计大纲:基于3D计算机触觉视觉交互(CHAI3D)和开放图形库(OpenGL)等开源软件,设计了针对上颌骨复位手术的仿真系统。使用真实病例的CT图像搭建虚假场景,经过Geomagic力反响设备对虚假模型进行三维操作并输出触觉反响。在原有单点碰撞算法的基础上,提出了使用多其中介代理的多点碰撞算法,防备了虚假手术工具的手柄插入虚假器官的不实仿真;经过力反响设备仇人颅骨模型进行选择、搬动和旋转,模拟手术中仇人颅骨的搬动和放置。系统可用于训练医学院学生,也可用于复杂手术的术前规划。要点词:虚假手术;力反响;上颌骨骨折复位手术;虚假现实;碰撞检测中图分类号::A英文大纲Abstract:puterHaptics,visualizAtionandInteractivein3D(CHAI3D)andOpenGraphicLibrary(OpenGL),,,theoperatorcouldusetheforcefeedbackdevicetochoose,:virtualsurgery;forcefeedback;reductionsurgeryofmaxillaryfracture;virtualreality;collisiondetection序言上颌骨解剖地址特别,在受到到外来的打击时,很简单碰到伤害,是面部最简单发生骨折的部位。上颌骨骨折会导致咬合错乱、语言阻拦、吞咽困难以及咬合无力等症状。临床上常用上颌骨骨折复位手术对其进行治疗。该手术不但可用于治疗上颌骨骨折,还在上颌骨发育畸形、移位等疾病中有重要作用,在口腔临床医学中有极大的意义。但由于上颌骨解剖结构复杂[1],且病人特异性高,该手术对医生的经验技术要求十分严格。传统的训练方式一般有两种:一种是在塑料材质上对上颌骨模型进行手术仿真,由于资料无法重复面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计使用,以致训练成本很高;另一种是利用只供应视觉仿真而不供应触觉反响的电脑软件进行训练。两种方法在训练时需要经验丰富的医生加以指导[2]。为了降低训练成本,使训练更加经济、真实,本系统使用Geomagic力反响设备,设计了针对上颌骨骨折复位术的虚假手术仿真系统。虚假手术是指运用虚假现实技术和力反响技术,对医学外科手术在视觉和触觉进步行高精度的虚假仿真,让医生能在手术前对立刻推行的手术进行模拟仿真,也许是让医学院学生经过操作虚假手术系统来得到手术经验的积累和技巧的提高。目前虚假手术的研究在腹腔镜等内窥镜手术中运用广泛[3],并且获取了很多医学专家和机构的认可。但是针对颅颌面口腔外科,特别是上颌骨骨折复位手术,进行模拟仿真的虚假手术系统的设计和研究还有待发展。目前,颅颌面虚假手术系统的研究主要集中于以下几类:颅颌面3D解剖结构仿真[3]、对颅颌面解剖结构简单触觉反响[4]、各种手术工具切换[5]、颅颌面软组织形变[6]、颅颌面植入资料的仿真、某一特例的颅颌面手术仿真[8]。法国里尔大学运用力反响设备研发了一套针对口腔牙科种植手术的训练模拟系统,并在钻孔仿真中提出了牙齿腐化的快速仿真算法[7]。美国斯putedTomography,CT)数据和体积元素重建(ReconstructionofVolumetricElements,ROVE)软件对口腔唇腭裂手术进行仿面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计真,并对软组织的形变进行了模拟,运用力反响设备进行反馈力输出[6]。美国亚利桑那州的人机交互实验室研究了一套针对颅颌面整容手术的虚假系统,经过MRI和CT扫描数据,运用立方体般配算法对骨骼进行建模,使用Phantomdesktop设备进行力反响输出。该系统主要训练实****医生对钻孔手机的熟练掌握,并将钻孔手机直接连接在力反响设备前端,使感觉更加真实[9]。在中国,上海交通大学使用核实中间是连字符还是点,P2中,,不是连字符;面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计力反响仪,并基于3D计算机触觉视觉交互面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计(ComputerHaptics,visualizAtionandInteractivein3D,面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计CHAI3D,)软件研发了一套种植牙手术模拟训练手术系统,实现对种植牙手术和截骨术的高精度仿真,并且经过大量的实验,精确地计算了手术中各种操作所涉及的反响力大小[1]。中国深圳先进技术研究所基于CHAI3D和一些开源软件数据包研发了一套颅颌面虚假手术系统,其颅颌面解剖结构的虚假模型由CT数据重建而来,虚假手术工具由激光扫描数据逆向重建得来。该系统可用于鼻内镜联合上颌骨水平截骨进路手术(LeFortI),并对触觉、视觉和听觉收效进行了高度集成,使得虚假手术环境生动逼真[10]。针对口腔颅颌面手术的特别性和专业性,目前科研团队研发的颅颌面其他虚假手术仿真系统还包括:基于体素模型的种植牙虚假手术系统[11]、面部骨伤重建系统[4]、窝面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计洞制备的虚假手术系统[12]、牙周检查的虚假手术系统[13]等。现有的大多数颅颌面虚假手术系统的研究重视于对器官的几何建模、物理建模等,但在手术工具仿真方面,多数系统只实现了工具的简单碰撞,仅设计了工具尖端与目标器官的碰撞检测[14]。这可以满足部分手术操作需求,但在其他操作中,当工具手柄碰到器官时,会发生工具插入器官的现象,造成操作者的误判,大大降低了系统的训练收效。本文基于CHAI3D和开放图形库(OpenGraphicLibrary,OpenGL,)软件,搭建面向上颌骨骨折复位手术的虚假手术系统,并对工具碰撞模型进行改进,实现了多点碰撞仿真,解决了虚假手术仿真中手术工具插入目标器官的问题;同时,系统使用力反响设备仇人颅骨模型进行交互,完成了对上颌骨骨折复位术仿真,并完满了系统的操作性。上颌骨骨折复位手术上颌骨骨折手术用于治疗上颌骨发育畸形、骨折等疾病,在临床医学上有极大的用途。在上颌骨骨折复位手术中,第一需要作上颌前庭沟横形切口,并用骨膜分别器于骨面上作骨膜下分别,展现上颌骨。接着,截断上颌骨外侧壁及内侧壁,截断鼻中隔根部,并断离上颌骨后缘,向下折断下颌骨。尔后,搬动上颌骨,使其位于正常咬合关系的地址,并利用导板保持上颌骨骨块的地址,保证骨质的愈合。上颌骨面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计放置地址的不正确不但影响面部雅观,还可能造成咬合不良,严重时可以致畸形复发或形成新的畸形,给术后正畸治疗增加很多困难[15]。力反响虚假手术系统本文针对上颌骨骨折复位手术中上颌骨的搬动,开发了一套虚假手术训练系统。其硬件包括两个部分:SensableGeomagic力反响设备、联想ThinkStation图形工作站,如图1。力反响设备经过用户搬动的速度和方向等信息,判断接触力的大小和方向,并传达给图形工作站,图形工作站依照输入的力改变模型的地址、形变并显示。同时,图形工作站计算反响力的大小和方向,并经过力反响设备的震动、搬动,将反响力输出。[3]及虚假手术场景的显示。本系统中的上颌骨模型由四川大学华西口腔医院真实采集病例的CT图像进行切割后重建而来。在图形引擎中,经过设置光照和视角来模拟真实手术操作环境。。若发生碰撞,物理引擎经过用户搬动力反响设备的速度面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计和方向等信息,计算碰撞力的大小和方向,改变模型的地址、形状,并将反响力信息经过力反响设备反响给操作者。。CHAI3D供应基础FingerProxy算法来实现碰撞模拟。虚假手术工具由工具模型和中介模型组成。中介模型会在工具模型搬动从前判断路径上可否有阻拦。虚假场景中颅颌面模型的每一个三角面片都用最小六面体包围起来,形成AABB包围盒。若是在其路径上没有阻拦物,工具模型会直接移向终点目标,完成搬动。若是在搬动途中与物体发生碰撞,则搬动被停止。若碰撞点不是搬动的目标地址,还会依照碰撞点与初始目标地址的关系计算新的终点地址,进行第二次搬动。在第二次搬动中会加入摩擦力的计算,若再次被阻拦,则中介模型就被两个平面所阻拦,从而停止搬动。过程如图3所示。假设虚假手术工具没有受到任何阻拦时所处的目标位置坐标为Pgoal。若是Pgoal未进入器官内部,则反响力为0;若Pgoal进入目标中,说明已经发生了碰撞,则将目标地址与前一时辰的目标地址连接,并找到这条射线与模型的交点坐标Pproxy。依照胡可定理公式(1)和模型的硬度系数k,面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计求出反响力。FF可否黑斜=0,Pgoal未进入模型k(Pgoal-Pproxy),Pgoal进入模型(1)当发生碰撞时,还会考虑摩擦力的作用。摩擦力的大小由式(2)和摩擦因素kp求得,方向与模型表面平行。f=kp下标的p表示什么含义,是变量为斜体还是内容的指代描述为正体?f和F都应该是黑体Kp表示摩擦因素(F)2)使用这种算法,若是搬动路径上没有阻拦物,那么直接搬动工具即可,无需进行碰撞点的计算和反响力的计算,减少了系统计算时间,大大提高了系统实时性。但是由于只在工具尖端覆盖有中介模型(图4(a)),所以只有工具尖端可以实现与模型的碰撞,产生反响力,而工具手柄部分则会在仿真过程中插入目标器官,如图4(b)所示。,设计了一种多其中介模型包裹工具的方法,使中介模型不但覆盖工具尖端,也覆盖在工具手柄上(图4(c)),判断工具手柄在搬动时可否与模型发生碰撞,解决了工具手柄插入模型的问题。中介模型初始化方法为:经过获取工具顶端的坐标,确定工具的轴心。由于手术工具是刚性的,不会在碰撞过程中发生形变,所以每其中介模型的相对地址不会发生改变。同理,面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计每其中介模型对应的目标地址之间的相对地址也是固定不变的。本订亲义每其中介模型之间的距离为D,设置中介模型的个数为N,第一其中介模型的三维坐标为Pproxyglobal,可以获取中介模型的三维坐标Pproxy[N]:Pproxy[N]=Pproxyglobal+D×(N-1);N≥2(3)N的大小由工具长度决定,但若是中介模型的数量过多,则会以致数据的计算量过大,影响系统的实时性和流畅性。在工具初始化后,判断每一其中介模型可否发生碰撞。若中介代理的球面与包围盒的距离小于,则判断发生碰撞,并计算该点碰撞坐标,更新其他各点坐标(见图5)。在接下来的判断中,若是还需进行第二次搬动,则会加入摩擦力的计算。摩擦力的大小与平面摩擦因素有关,诚然增加了中介模型的个数,增大了工具与器官的接触面积,但若是设定器官表面的摩擦因素必然,摩擦力大小将不随中介模型个数的改变而改变。在第二次搬动中,若是工具上的任意某其中介模型再次碰到阻拦,则工具停止搬动。经过这种方式的改进,解决工具手柄插入目标器官的问题,如图4(d)所示。上颌骨骨折复位术的人机交互在上颌骨骨折复位术中,医生需要将上颌骨搬动到正确的咬合地址。本文经过OpenGL和CHAI3D实现对人机交互的设计,并基于手术的实质情况,设计力反响设备与模型交互的视觉和触觉反响,使手术仿真更加真实。,有4块上颌骨模型,均由真实病例的CT数据重建而来,操作者可使用Geomagic力反响设备在虚假场景中拾取上颌骨目标,并对其进行单独操作。拾取流程如图6所示。为了区分开每块头颅骨模型,方便拾取后的操作,第一使用名字货仓分别对模型命名。拾取矩阵为一个小的立方体,定义其中心为力反响设备的坐标,边长为2。若矩阵的边长过大,会造成一次拾取中选中多个目标的情况。经过Geomagic设备上的按钮进入拾取模式后,投影与拾取矩阵订交的头颅骨模型会被选中[16]。选中的结果将会经过帧缓冲区返回(图7)。其中:Zmax和Zmin表示选中的模型距离摄像机的最远和近来的距离,用模型的Z坐标与摄像机Z坐标相减获取。若一次拾取中选中了多个模型,可经过比较每个模型的Zmax和Zmin进行选择。比方,选择Zmin最小的模型,则操作的为最凑近屏幕的模型。,就是确定上颌骨的搬动路径,并最后放置上颌骨。没有规划好搬动路径,则在搬动过程中,可能会碰到其他的骨头,造成二次伤害;上颌骨放置得不正确,会造成咬合畸形和上颌骨的不正常发育。针对这一难点,本系统基于CHAI3D软件,利用Geomagic力反响面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计面向上颌骨骨折复位手术的虚假系统设计