文献标识码：A
文章编号： 0258-7998(2013)12-0129-03
现代科学技术的发展越来越体现多门学科的交叉和渗透。虚拟手术（Virtual Surgery）作为正在发展的研究方向，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。其目的是使用计算机技术(主要是计算机图形学与虚拟现实)来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，在时间段上包括了术前、术中、术后，在实现的目的上有手术计划制定，手术排练演习、手术教学、手术技能训练、术中引导手术、术后康复等。
本文利用3DS MAX建模、力触觉渲染引擎CHAI 3D(http://www.chai3d.org/)和力觉交互设备—Omega.7，设计了一种基于力反馈的虚拟脊柱手术模拟系统，该系统不仅可以为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的训练环境，还能够将力信息反馈给操作者，产生良好的临场感效果，具有交互性、可重复性、无损伤性等优点，力触觉反馈效果良好，可以为医师提供脊柱手术术前训练，适用于高校的医学教学和医疗机构人员的培训。
1 系统整体结构和设计方案
基于力反馈的虚拟脊柱手术模拟系统的结构如图1所示，其中Omega.7 是整个系统的核心设备，其主要功能是将人手运动的位置信息发送至虚拟仿真环境，并将虚拟环境中生成的力信息反馈给操作者。主控计算机在CHAI 3D环境中,完成脊柱和手术工具的建模，并基于碰撞检测完成接触力的计算和仿真图形的更新；操作者通过Omega.7的力反馈和显示设备的视觉反馈，可以准确地操作虚拟工具进行手术，进而实现人机交互。
2 虚拟环境的构造
2.1 脊柱模型的多边形建模方法
脊柱模型的建模方法,包括MRI扫描建模[1]、CT扫描建模[2]和依据实体模型的直接建模方法等。由于MRI法和CT法成本较高,且直接建模方法能够满足手术模拟的需要，因此选用直接建模的方法来建立脊柱的3D模型，建模环境为3DS MAX 2013。采用多边形建模方法，图2(a)所示为依据实体模型，图2(b)所示为建立分布稀疏得当的网格模型，图2(c)所示为经过网格平滑后得到的较为逼真的脊柱三维模型。
2.3 AABB碰撞检测
碰撞检测是手术模拟系统中能够获得良好力反馈效果的前提条件，本系统采用AABB(Axis-Aligned Bounding Box)碰撞检测方法[5-6]。AABB是进行碰撞检测的三维几何体的外接平行六面体,每条边都平行于坐标轴。AABB内的任一点坐标P(x,y,z)都需要满足如下条件:
4 系统实验仿真
4.1 实验平台
基于以上设计方案，搭建了系统实验平台，如图5所示。以椎弓根穿刺手术为例 [7]，由于手术的穿刺区域非常狭小，非常容易发生操作失误进而损伤椎管内的脊髓。本系统中操作者通过操作Omega.7来控制仿真环境中的虚拟手术器械，将手术工具穿入椎体。计算机会根据碰撞检测算法计算出接触力，并反馈至操作者，同时，手术工具的实时位置也会通过显示设备反馈至操作者，从而达到手术模拟的目的[8]。
4.2 实验结果
图6(a)所示为正确的穿刺区域,手术时不能损伤椎管内骨髓，同时也不能穿出脊柱外壁。图6(b)和图6(c)分别显示了模拟椎弓根穿刺手术中的正确操作和错误操作方式。图6(b)中手术器械沿着正确的穿刺区域进入椎体，整个穿刺过程中，操作者都能感到持续的反馈力，而图6(c)中手术器械穿入椎管，操作者可明显感受到力反馈的突变。操作者通过这种力反馈的不同，进而达到训练和教学的目的，不同操作的力反馈情况如图7所示。
本文介绍了一种基于力反馈的虚拟脊柱手术模拟系统，此虚拟系统可以建立形象的脊柱模型和手术器械，配合力反馈设备，医生能够与虚拟手术环境中的对象进行实时交互。该系统为医生提供了一套训练平台，对虚拟手术技术的研究和医务人员的培训都作出了一定贡献。
参考文献
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