脊柱矫形手术的实时仿真与力觉交互关键技术研究

脊柱疾病是骨科的常见病，脊柱矫形手术历来是临床骨科学的难点和研究热点。由于人体脊柱结构复杂，脊柱矫形手术比较困难，因此有必要进行准确、便捷的仿真，为脊椎矫形手术的术前规划提供辅助。本项目拟根据脊柱矫形手术的特点对术前规划仿真开展研究工作，寻求虚拟脊柱矫形手术实时仿真和力觉交互关键技术的解决方案。项目研究开发工作的主要任务是：1、建立各种脊柱软组织的物理模型和脊柱的刚-柔耦合多体系统，并给予优化和简化，提出脊柱变形和运动的实时计算方法，实现脊柱矫形手术的实时仿真；2、根据脊柱矫形手术的特点，研究专门的主/被动混合式力觉反馈设备及其控制系统，设计力反馈渲染算法，实现脊柱矫形手术仿真的力觉交互。项目研究开发工作的顺利实施，最终将产生一套适用于脊柱整形外科的实时仿真系统，在典型的脊柱矫形手术的仿真中进行应用验证，有助于术前分析、规划和对新医生的训练。

本项目针对脊柱医学的特点，对脊柱诊疗和外科手术仿真开展研究工作，寻求虚拟脊柱实时变形仿真、诊疗过程仿真、矫形手术实时仿真和力觉交互关键技术的解决方案。项目的执行过程中，我们完成了以下工作：.1）实现了脊柱软组织的有限元建模和实时变形仿真。建立了合适的脊柱软组织的非线性超弹性模型，研究软组织有限元模型的模态分析方法，得到变形空间的基，研究通过指定软组织最常见受力模式而产生大幅度的变形，并从中提取非线性的模态变形基，用以描述软组织的大幅度变形，并实现了有限元的实时变形仿真。.2）实现了基于GPGPU加速的约减脊柱模型的快速变形求解、位移重建和用于碰撞检测的局部网格更新。针对GPU加速计算方法在光透射体渲染中存在的计算载荷不均衡问题，研究并实现了一种基于GPGPU的体数据图形渲染算法，用于仿真过程的实时图形显示。.3）实现了脊柱的刚柔耦合多体系统建模， 根据脊柱的解剖学和生物力学原理，把复杂的骨-肌系统简化，建立脊柱的刚柔耦合多体系统，在此基础上实现了刚柔耦合脊柱系统的实时变形仿真，并对模型进行了验证。进一步的，针对脊柱临床诊疗需要，运用体感交互技术实现了脊柱位置姿态和运动范围的在体测量。.4）探索和研究了适合脊柱临床诊疗和手术仿真的力觉交互技术。针对脊柱外科的临床需要，分别对脊柱穿刺和脊柱矫形手术仿真进行研究，实现了具有力觉交互的虚拟的穿刺和虚拟脊柱矫形手术的仿真。研究和设计了专门的适合脊柱矫形手术仿真的力觉反馈和交互方法，实现和尝试了智能化的脊柱穿刺和脊柱矫形手术教学和训练。. 项目研究了脊柱诊疗和外科手术的仿真和力觉交互，极大的增强了脊柱诊疗和手术仿真的真实感和直观度，为医学生的训练提供了一个直观、自然、界面友善的平台。项目研究了脊柱软组织、脊柱刚柔耦合模型的实时仿真，为复杂骨骼-肌肉系统的实时仿真提供理论基础和方法支撑。