虚拟仿真手术与常规手术对肾结石治疗效果的比较

目的重建肾脏的三维立体模型,模拟经皮肾镜碎石术在虚拟仿真手术和常规手术的效果。为临床教学和科研提供方法,为年轻医生快速缩短手术学习时间。方法随机选取2017年12月~2019年2月北京房山区良乡医院就诊的30例肾结石患者作为试验组,对照组是同期在该院进行体检的正常人30例。两组采集肾脏CT扫描数据,利用Mimics16.0软件通过图像分割和融合重建肾脏的三维立体模型;记录虚拟仿真手术的穿刺肾盏、穿刺点、穿刺深度和选择通道等观察指标,记录总住院时间、平均手术时间、平均出血量、平均术后住院时间及术后并发症的发生率。结果虚拟仿真手术与实际手术的穿刺点符合度为100%,两组平均住院时间差异无统计学意义(P>0.05);两组间平均出血量、平均术后住院时间及并发症发生率差异均有统计学意义(P<0.05),虚拟仿真手术平均出血量减少,平均术后住院时间缩短,发症发生率降低。结论虚拟仿真手术可实现肾结石患者的个体化术前评估和手术设计,为临床医生准确地诊断和治疗提供依据。

基于unity3D的虚拟仿真手术训练体系在临床医学生教学中的应用研究

随着科学新技术的兴起和社会公众健康意识的逐渐提高,培养适应健康中国发展要求的高素质医学人才显得十分迫切。临床医学教学在新时代下的方式、方法是多元化的。时下兴起的包括医学模拟教学、临床医师组织的基于问题的学习法(PBL)、案例学习法(CBL)、团队学习法(TBL)教学、可视化虚拟解剖教学等等。这些教学方式的出现极大提高了医学生的学习兴趣,为学生的学习赋予了更多的灵活性,能够帮助学生充分理解医学知识。现代化临床医学学科是一门对学员要求极其严苛的科学,学生不仅要对书本知识融会贯通,还要具有一定的动手操作能力。实践是理论与临床联系的桥梁,虚拟现实(VR)技术近年来突飞猛进,也掀开了医学界的华丽篇章。随着多媒体技术、医学仿真技术、可视化虚拟教学等新教学方法的出现和飞速发展,虚拟仿真教学模式在临床医学教学中的应用也日益突出。虚拟模拟操作训练系统是虚拟模拟教学中十分重要的环节。因其具有无损伤性、可计划性、可反复操作性、低代价、高性价比、节约资源等优点,现已成为临床医生术前规划及手术训练的重要方法。本文就基于unity3D的虚拟仿真手术训练体系在临床医学教学中的应用研究展开调查及分析。

虚拟手术仿真中碰撞检测问题的研究

虚拟手术仿真是虚拟现实技术在现代医学领域的一个重要应用 ,快速精确的碰撞检测是虚拟手术仿真的基础。现有的碰撞检测方法难以解决虚拟手术仿真中人体组织模型变形和拓朴结构变化等问题 ,本文给出了一种基于固定方向凸包包围盒的碰撞检测方法 ,它不仅在速度上较以往的方法有一定的提高 ,而且能有效地解决虚拟手术仿真中出现的各种新问题。

基于手术刀的虚拟外科手术系统仿真器

该文设计了一种虚拟外科手术系统专用的虚拟手术刀仿真器。阐述了该仿真器的组成和各组成部分的工作原理,并对仿真器驱动机构进行了控制建模,设计了具体的计算机控制算法,最后在虚拟外科手术系统配套软件中给出了控制实现方案。该仿真器较之虚拟现实系统中传统的力反馈装置(如PHANTOM),更加符合外科医生实际操作习惯,具有更好的实用价值。

基于BP神经网络的虚拟手术实时仿真技术研究

在人体腿部的虚拟仿真研究中,建立有限元模型并进行生物力学特性分析是一种有效的方法.但由于有限元模型数据量大,解算时间长,并且难以与既有系统融合,因此不适合在实时的手术培训和手术预演中应用.为了提高虚拟手术仿真系统进行实际作业的能力,笔者提出了以BP神经网络模型来代替有限元模型,实现实时的生物力学响应.并结合已有的医疗机器人辅助接骨虚拟现实仿真手术系统,构建了系统实验平台.实验结果证明,人体腿部的BP神经网络模型能够完全满足手术仿真所需的实时性要求.

软组织虚拟手术仿真的关键技术探析

在介绍了软组织虚拟手术仿真一般过程的基础上,从图像分割、三维重建、物理建模三方面探讨了其关键技术,并指出虚拟手术仿真技术的应用对辅助确定病灶位置、制定最佳手术方案和提高手术成功率具有十分重要的意义;提升虚拟仿真技术的应用价值,关键在于完善组织器官的几何和物理建模,真实地模拟手术时器官的功能状态及其变化。

虚拟钻骨手术仿真力反馈交互实现研究现状

虚拟现实技术和力反馈技术是新型的人机交互技术。由这2种技术结合而成的虚拟手术仿真训练系统为骨科手术训练提供了新的方法,可以提高年轻骨科医生的训练效率,从而减少培训费用和缩短成长周期。近年来,虚拟钻骨手术仿真技术被广泛地研究并且得到了初步的运用。该文对现有的虚拟钻骨手术中视触觉交互技术的研究现状进行了梳理、分类和总结,主要对骨组织建模、钻骨力预测模型和力触觉模拟3个重点技术进行了详细论述,并分析了现存方法的优缺点,展望了虚拟钻骨仿真手术中相关技术的未来发展趋势。

虚拟手术仿真中的力反馈研究

虚拟手术仿真是当前国际上生物医学工程领域研究的前沿课题.为了解决仿真中力反馈输出的稳定性和准确性问题,本文首先对基于OBB(Oriented bounding boxes)树结构的碰撞检测和响应进行了改进,改进后可以返回接触点位置和接触面的法向量.在此基础上,提出了一种二次检测的方法,大大减少了穿刺现象的产生;并采用同步机制对力的输出的稳定性进行改进,使力的输出更加稳定准确.最后的实验结果表明,改进后的算法在解决穿刺和稳定性方面有了较大的提高,使手术仿真中力的输出效果更加真实.

基于肝脏物理模型的虚拟手术交互仿真研究

目的:针对手术仿真系统中器械与软组织交互临场感欠佳的问题,基于肝脏物理模型进行虚拟手术交互仿真研究。方法:基于Geomagic touch主手搭建一套虚拟手术仿真系统。首先,在建立虚拟手术机械臂和肝脏几何模型基础上,以Geomagic touch作为主从系统的主手,基于设计的主从映射策略实现主从交互运动。其次,通过对肝脏组织样本的有限元仿真,获取加载位移与力学响应曲线。在ADAMS软件中建立以Kelvin模型为基本单元的离散单元组合模型,通过组合模型与有限元模型的力学响应对比得到离散单元参数,并将其作为虚拟肝脏组织的物理模型参数。最后,对手术机械臂的主从运动和虚拟手术仿真系统中虚拟微器械与软组织的交互操作进行仿真。结果:搭建的虚拟手术仿真系统能够模拟手术过程中的主从运动、手术微器械与软组织的交互操作。结论:搭建的虚拟手术仿真系统可用于医生进行机器人辅助手术操作训练,具有潜在的临床价值。

虚拟手术仿真系统研究现状

虚拟手术仿真系统在医生的临床手术实践培训中发挥了巨大作用,为医生提供了一个视觉、听觉、触觉方面具有现实感和沉浸感的虚拟手术环境,医生仿佛置身于真实手术室中进行手术操作,突破了传统人体模型和尸体等练习对象的限制,医生可以根据需求无限次反复操作练习,极大地节省了经济和时间成本。基于此,笔者简述了虚拟手术仿真系统的发展和现状。

冠心病介入治疗虚拟仿真系统关键技术

冠心病介入治疗虚拟仿真系统是训练介入医生手术技能的有效工具,为满足实际需求,对系统开发过程中涉及的几何建模、心跳模拟、流体仿真、柔性器械运动处理等关键技术进行了探讨,提出了基于NURBS曲面的血管模型和组合弹簧振子联动的心跳模型,并利用粒子系统和多叉树方法实现了造影剂注射和柔性器械运动的仿真,为冠心病介入治疗训练提供了虚拟教学平台和技术支撑。

手术仿真中基于质点—弹簧模型的人体组织变形仿真

采用质点—弹簧建模方法提出了人体软组织面模型和体模型系统、程式化的计算模型建立方法。将连续的软组织离散为由弹簧/阻尼器及与其连接的质点构成的离散系统,用邻接表来表示离散系统的拓扑结构,即弹簧—质点间的邻接关系,依据该信息,可自动建立方程并计算与每个质点连接的弹簧、阻尼器对质点的粘弹性力的贡献,然后采用4阶Runge Kutta方法对得到的微分方程组进行数值积分。通过小肠模型(面模型)和规则块状软组织模型(体模型)2个实例介绍了采用所提出的方法实施软组织变形仿真的过程。

压缩性骨折内固定手术仿真

虚拟手术仿真为医学手术训练提供了具有真实感和沉浸感的新手段。设计和实现了针对腰椎压缩性骨折内固定手术的虚拟仿真,构建3D手术场景并制作形变动画,采用多层级碰撞体组合切换的碰撞检测方法,并将多指标力反馈模型值映射为HTC Vive手柄的不同强度的震动触感,结合语音指导和UI视觉反馈,实现视觉、听觉和触觉的多通道手术体验。该系统提供指导训练模块和测评模块,可以对手术操作流程、操作用时和操作正确性等多项指标进行评分,规范用户的操作流程和提高手术正确操作的熟练度。

人体腹腔器官的三维重建与形变切割仿真

通过将传统面模型转换为体模型的方法,实现了包含肝脏、胃、结肠和胆囊等多个器官的人体腹腔结构的形变、切割与碰撞仿真。首先,以生理学腹腔解剖结构为依据对腹腔内各器官进行三维模型重建;然后,根据腹腔内各器官的生理位置和悬挂方式确定三维模型之间的相对位置,并设置合理的边界约束条件,将三维模型转换为基于体素的体模型;最后对体模型赋予生物力学性质并进行仿真。实验结果表明,该方法能够在保证仿真帧数较稳定的同时产生真实合理的形变、切割和碰撞仿真效果,并且在包含多个器官的情况下依然可以满足视觉实时性要求。

一种基于图像导航的骨外科手术机器人系统

髓内钉远端孔锁定是目前长骨骨折内固定手术中的难题.介绍了一种机器人外科手术系统及作为其核心技术的图像导航方法.首先对X光图像进行畸变矫正和对比度增强,然后提出一种基于几何模型的对准方法,得到一条能够穿过髓内钉远端孔的三维路径,从而引导串联机器人锁定髓内钉.系统还包括虚拟手术仿真子系统和遥操作子系统,可以模拟、监控手术过程,并可使医生远距离操作系统完成手术.实验表明,该系统能成功实现用机器人锁定髓内钉.并且与传统手术方法相比,具有较高的定位精度和稳定性,可以大大减少手术所需时间,降低医生所受辐射剂量.

基于现代教育技术下数字化仿真系统在甲状腺结节穿刺临床示教中的应用研究

甲状腺结节穿刺虚拟示教系统是一个模拟医师进行手术过程的虚拟现实应用系统。系统能够接受来自CT,MRT,超声波扫描仪,共焦或广焦显微镜以及其他类似仪器中获得的3D数据,通过医学三维重构,建立高度仿真的虚拟三维医学模型,并在此基础上提供合适的交互手段进行甲状腺结节穿刺过程的仿真模拟和训练。使训练者从外部观察到甲状腺内部状况,准确地确定病变体的空间位置、大小、几何形状以及它与周围生物组织之间的空间关系,从而及时高效地诊断疾病。为内分泌甲状腺医学研究和数字化教学的发展发挥巨大的作用,是信息化教学的高级应用。随着虚拟现实技术的日益成熟,其应用领域逐步扩大。手术虚拟仿真技术在医学领域的应用,已成为一个研究热点。

基于XPBD的微创冠脉旁路移植手术操作实时仿真

微创冠脉旁路移植术(MICS-CABG)是外科治疗严重冠心病的重要发展方向,但其手术难度大、风险高,初学者无法直接对实际病人进行手术技能训练.基于虚拟现实技术的手术模拟训练能够有效地提高训练效果,避免手术风险.针对MICS-CABG的特点,提出一种扩展的基于位置动力学(XPBD)框架的微创冠脉旁路移植手术操作实时仿真方法.首先使用四面体外骨骼模型实现复杂心脏的物理形变,利用圆柱几何体表示手术器械物理模型;然后利用GPU并行加速XPBD仿真,利用冠脉中轴线建立Cosserat弹性杆模型的拉伸、剪切、弯曲、扭转约束,实现了冠脉的形变仿真;最后基于手术器械与心脏物理模型的碰撞检测,引入不嵌入约束与附着约束,生成工具与软组织交互的反馈力.实验结果表明,所提方法中手术器械模型与软组织交互变形实时稳定,在包含100 000个物理单元的场景中,仿真速率可达到60帧/s,力反馈仿真频率可达到1 kHz以上,视觉效果良好,有着较高的仿真效率.

虚拟手术仿真培训系统在头颈肿瘤外科医师训练中的应用

目的:为进一步解决因头颈部解剖复杂、重要的组织结构较多而导致头颈肿瘤外科医师培训难度大、经验积累缓慢等问题,提供新方法和新思路。方法:对30名经过外科基础训练的住院医师、规培医师、进修医师和临床研究生开展虚拟手术仿真培训,对满意度进行评价。对10名接受过传统培训的医师开展虚拟手术仿真培训,与传统培训进行对比调查并反馈建议。结果:学员和医师对该培训系统的使用方便性、虚拟环境逼真性、操作的反馈性认可度较高。结论:在进行头颈肿瘤外科医师培训中引入虚拟手术仿真培训,可以提高学员的理论和实践水平,为头颈肿瘤外科医师的培养提供了简便、易行、系统性的虚拟培训手段,是一种值得推广和应用的培训模式。

虚拟手术中软组织实时形变模型的研究进展

生物软组织是一种具有非线性(nonlinearity)、各向异性(anisotropy)、近似不可压缩性(quasi-incompressibility)、黏弹性(viscoelasticity)等特性的弹性体材料,对于人体软组织实时形变行为的建模与仿真是当前虚拟手术仿真系统(virtual surgery simulation)研究中的难点和热点之一。本文就目前虚拟手术系统中描述软组织实时形变模型(deformable models)的研究现状进行了分析与总结,并就未来的发展方向进行展望。

基于无网格的软组织切割模型的研究进展

具备支持实时交互能力的软组织切割模型对于虚拟手术仿真系统具有至关重要的意义。传统的软组织切割模型多基于网格建立,将软组织切割过程建模为手术刀具与软组织几何模型之间的网格切割计算,并在此基础上建立和求解生物力学方程以描述切割过程。由于网格切割计算代价高且软组织切割过程中涉及到复杂的生物力学问题,很难实现实时交互,严重影响了虚拟手术仿真效果。与此相反,基于无网格的软组织切割模型打破了网格限制,在触觉/视觉逼真度和实时性方面都具有很大优势。文中从力反馈和视觉反馈的渲染质量和速度等方面,就基于无网格的软组织切割模型的研究现状进行了概述,对存在的问题进行了分析和总结,并对未来的发展方向进行展望。