了得網醫學_虛擬骨科手術繫統建模與仿真

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虛擬技術,應用,骨科學,外科手術,繫統仿真

內容簡介

《虛擬骨科手術繫統建模與仿真》以實現虛擬機器人輔助正骨手術繫統為目標詳述了該虛擬手術繫統機器人結構建模、運動學建模、手術環境建模、手術對像幾何建模、手術對像生物力學建模、手術對像生物力學模型解算、踫撞檢測、模型驗證、虛擬手術力反饋設備設計、仿真繫統集成、實時仿真方法等虛擬手術繫統設計中涉及的各方面研究內容。《虛擬骨科手術繫統建模與仿真》在基於醫療機器人模型與人體組織模型虛擬環境構建方面、人體軟組織建模方面、虛擬模型驗證方面、實時仿真實現方面的介紹具有獨到之處，解決了虛擬手術繫統設計中的關鍵技術，為該方向的研究者提供了理論基礎與新鮮的設計思想。

目錄
前言
第1章虛擬骨科手術繫統介紹 1
1.1 虛擬手術簡介及其應用意義 1
1.2 虛擬手術繫統的發展框架 2
1.3 虛擬手術繫統構成 3
1.3.1 虛擬手術繫統硬件組成 4
1.3.2 虛擬手術繫統軟件功能模塊 5
1.4 虛擬手術建模與仿真技術研究現狀 7
1.4.1 虛擬手術建模及仿真方法研究現狀 8
1.4.2 虛擬手術建模與仿真技術存在的問題 18
1.5 虛擬骨科手術繫統建模與仿真的研究背景概述 19
1.6 虛擬手術繫統中的機器人建模 21
1.6.1 虛擬手術建模與仿真技術研究的硬件平臺簡介 21
1.6.2 正骨機器人的三維幾何建模 23
1.6.3 正骨機器人的運動學建模 25
1.7 虛擬手術繫統中的環境建模 29
1.7.1 構建虛擬環境的軟件平臺 29
1.7.2 虛擬環境的交互操作 30
1.7.3 機器人執行機構的軌跡顯示 30
1.8 小結 31
參考文獻 31
第2章人體組織數字化醫學影像信息獲取 37
2.1 醫學影像獲取技術 37
2.1.1 X射線攝影 38
2.1.2 X射線計算機斷層攝影（X-CT） 40
2.1.3 核醫學成像 43
2.1.4 磁共振成像 46
2.1.5 超聲成像 53
2.1.6 其他新型的醫學成像技術 56
2.2 醫學影像數據庫 58
2.2.1 醫學影像數據庫的數據建模 59
2.2.2 醫學影像數據庫的管理方法 59
2.2.3 醫學影像數據庫國內研究現狀 61
2.2.4 醫學影像數據庫國外研究現狀 61
2.3 小結 62
參考文獻 62
第3章虛擬骨科手術繫統人體組織解剖結構及生物力學特性分析 64
3.1 復位手術 64
3.1.1 牽引原理 64
3.1.2 牽引流程 65
3.2 腿部生物力學 66
3.3 腿部的解剖結構 67
3.3.1 腿部骨骼的解剖結構 67
3.3.2 腿部肌肉的解剖結構 69
3.4 小結 70
參考文獻 71
第4章基於醫學影像信息虛擬骨科手術繫統人體組織幾何建模 72
4.1 幾何建模的基本框架 72
4.2 算法描述 73
4.2.1 等值面抽取算法-Marching-Cubes算法 73
4.2.2 網格簡化算法 77
4.2.3 體模型生成算法 79
4.3 虛擬骨科手術繫統人體組織幾何建模 81
4.3.1 圖像預處理 81
4.3.2 重建結果及分析 85
4.3.3 模型簡化結果 86
4.4 小結 88
參考文獻 88
第5章虛擬骨科手術繫統人體組織生物力學建模 89
5.1 三維線彈性模型 89
5.1.1 無窮小應變的定義 89
5.1.2 無限小應力的定義 91
5.1.3 各向同性線彈性材料 91
5.1.4 橫向各向異性線彈性材料 92
5.1.5 虛功原理 93
5.2 非線性彈性模型 94
5.2.1 線彈性模型的缺點 94
5.2.2 非線性彈性的引入 94
5.3 小結 96
參考文獻 97
第6章虛擬骨科手術繫統人體組織模型計算 98
6.1 線彈性模型計算 98
6.1.1 線性四 98
6.1.2 面積矢量 100
6.1.3 各向同性線彈性材料剛度矩陣的計算 101
6.1.4 橫向各向異性材料剛度矩陣的計算 103
6.2 非線性彈性模分析 104
6.3 材料變形的平衡等式 105
6.3.1 重力做功 105
6.3.2 外表面壓力做功 105
6.3.3 質量矩陣 106
6.3.4 邊界條件 107
6.3.5 平衡等式 107
6.4 準靜態變形計算 108
6.5 動態變形計算 109
6.6 人體腿模型的建立 111
6.6.1 骨模型 111
6.6.2 肌模型 112
6.6.3 其他軟組模型 115
6.7模型驗證 116
6.7.1 邊界和載荷條件 116
6.7.2 試驗結果 117
6.7.3 誠驗結論 119
6.8 小結 120
參考文獻 120
第7章虛擬手術中的踫撞檢測 122
7.1 包圍盒層次結構 122
7.1.1 固定方向凸包的定義與計算 122
7.1.2 包圍盒層次結構 123
7.2 基於包圍盒樹的踫撞檢測算法 124
7.3 包圍盒樹的更新 126
7.3.1 對像運動後包圍盒樹的更新——近似法 126
7.3.2 對像變形後包圍盒樹的更新 127
7.4 小結 129
參考文獻 129
第8章虛擬骨科手術繫統的交互式實時仿真 131
8.1 虛擬骨科手術繫統的交互式仿真 131
8.1.1 主從雙向力操作關鍵技術研究狀況 131
8.1.2 力覺主手機構 134
8.1.3 力覺主手控制繫統 134
8.1.4 繫統控制算法設計及實現 139
8.1.5 基於WINDOWS的實時控制軟件設計 143
8.2 虛擬骨科手術繫統的實時仿真 148
8.2.1 基於神經網絡的生物力學模型 148
8.2.2 繫統集成 150
8.2.3 實時力反饋試驗 151
8.2.4 試驗結果分析 153
8.3 小結 153
參考文獻 154
第9章方法在生物醫學工程中的應用 156
9.1方法 156
9.1.1方法概述 156
9.1.2軟件 159
9.2方法在生物醫學工程中的應用 160
9.3 股骨頸骨折內固定方分析 161
9.3.1 骨折內固定模型的建立 162
9.3.2分析及結果優化 168
9.3.3 骨密度對股骨近段力學性能的影響 1?3
9.4 熱力學基本知識 175
9.4.1 傳熱學理論 176
9.4.2 Pennes生物傳熱方程 178
9.4.3 熱應力理論 180
9.5 基於三維溫度分析股骨腫瘤熱療方案優化 183
9.5.1 骨骼三維重建 183
9.5.2 骨骼材料特性與CT值的關繫 185
9.5.3 股模型的建立 185
9.5.4 股骨三維溫度場分析 190
9.6 髖關節假體置換模型的建立及其熱應分析 196
9.6.1 髖關節置換模型的建立 196
9.6.2 ANSYS熱應力分析 198
9.6.3 置換髖關節熱應力分析 198
9.7 骨愈合過模擬 204
9.7.1 影響骨愈合過程的因素 204
9.7.2 骨愈合過程的模擬方法 205
9.8 小結 207
參考文獻 207

在線試讀

第1章虛擬骨科手術繫統介紹
虛擬手術在手術規劃、新醫生培訓、外科診斷、定制修復擬合模型、遠程醫療等方面所表現出的優勢使得相關領域的研究越來越引起研究者的重視，本章通過對虛擬手術歷史發展進程的回顧，對虛擬手術繫統的組成框架的構建，對建立虛擬骨科手術繫統硬件平臺和研發背景的介紹，向讀者展示了虛擬手術的基本概念，後續各章將更詳細地介紹每一部分的具體設計步驟。
1.1 虛擬手術簡介及其應用意義
現代科學技術的發展越來越體現出多門學科的交叉和滲透。虛擬手術（virtualsurgery，VS）作為正在發展起來的研究方向，是集醫學、生物力學、機械學、材料學、計算機圖形學、計算機視覺、數學分析、機械、力學、材料學、機器人等諸多學科為一體的新型交叉研究領域。其目的是使用計算機技術來模擬、指導醫學手術所涉及的各種過程，在時間段上包括術前、術中、術後，在實現的目的上有手術計劃制定、手術排練演習、手術教學、手術技能訓練、術中引導手術、術後康復等。
虛擬手術這個研究方向目前正在逐步形成之中，與之相關的一些研究方向主要有醫學可視化（medicalvisualization）、醫學增強現實（medicalaugmentedreality）、醫用機器人（medicalrobot）、手術模擬（surgerysimulation）、圖像引導手術（imageguidedsurgery）、計算機輔助手術（computeraidedsurgery，computerassistedsurgery）等。使用虛擬手術（virtualsurgery）這個名詞更加能夠充分體現虛擬現實（virtualreality）作為計算機圖形學在醫學治療過程中的作用，充分體現了人機交互和真實感。國外也有稱此方向為虛擬手術室（virtualoperatingroom）或醫學虛擬現實（medicalvirtualreality）。
虛擬手術臨床應用的意義主要體現在以下幾個方面。
1.醫療培訓
外科手術培訓的途徑主要有以下方面：
（1）觀看有經驗的醫生手術，缺點是隻有視覺上的效果，不會有身臨其境的感覺。
（2）用動物做試驗，對於其是否符合道德標準正在被國際社會爭論，而且價格較高，一個試驗品隻能用於一次培訓。
（3）用尸體做試驗，價格昂貴。
（4）

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