高逼真度的虚拟下颌升支矢状劈开术模拟的关键技术研究

Recently, with the great improvements of the surgical techniques, and the expansion of the patient amount, and the lack of the professional surgeon, the usage of the virtual reality based computer-assisted surgical simulation on the surgical training and clinical treatment has been received a widely attention and research. This proposal intends to simulate the Sagittal Split Ramus Osteotomy (SSRO) surgery, which has a very large dangerous and complexity. The research of the key technologies will be studied, including the following items. In order to distinguish the bone shape and material through the surgical instruments interaction, the physical contact models between the instruments and the bone, and the realistic computation methods of the haptic feedback should be designed. Then, the surgeons' manipulation during the training can be guided through the setting of the augmented haptic information. This would be helpful for the surgical skill improvement. Also, we will build the multi-layer bone fracture model to simulate the split procedure in SSRO. Based on the previous aspects, the construction of a high fidelity virtual SSRO surgery platform for planning, simulating and training is also necessary. Once our research purposes could be successfully reached, the results will have a huge application perspective in the field of computer-assisted design and stereotactic navigation for orthognathic surgery.

随着近些年来外科手术技术的不断提高和发展，患者数量的剧烈膨胀，以及专科医生数量的严重不足，基于虚拟现实技术的计算机辅助手术模拟在手术训练和治疗方面得到了非常广泛的重视和研究。本项目将对虚拟下颌升支矢状劈开这一复杂度高、危险性大的手术进行模拟，并研究相应的关键技术。重点研究设计下颌升支劈开手术中的关键手术工具与骨骼之间的交互碰撞模型，创建真实可靠的、基于物理的力反馈模型，达到通过手术工具的接触能够区分不同区域骨组织形态的目的；进而通过设置增强力觉信息，对医生在训练过程中的操作进行引导，达到提高手术技巧的目的；并且对劈开手术操作中的骨折效果进行模拟，创建能用于实时交互的多层骨组织骨折形变模型；并在上述基础上，设计高逼真度的虚拟手术规划、模拟和训练平台。若研究目标能够顺利实现，将在计算机辅助颌面部手术设计和立体定向导航方面的具有巨大的应用价值。

我们按原定计划开展了研究，并取得了预期的研究成果，已全面完成了预期的考核指标。在科研方面，我们根据医生的临床需求，构造出了融合视觉和触觉于一体的颌面手术虚拟仿真环境，用户可以通过人机交互装置操纵手术器械以自然的方式对虚拟环境中的手术对象进行各种操作，再现了真实的场景，并且可以进行手术方案的制定，最优化手术路径，为医生提供了逼真的、可反复操作的手术训练环境。本项目突破性的解决了虚拟颌面手术系统面临的一些瓶颈问题，包括：（1）开发了多模态的数据模型，有机的结合了体数据和三角网格数据的在渲染和交互过程中的优点，巧妙设计了在模型拓扑结构改变的过程中，两种数据格式实时同步的方法，利用数据模型的特点，可以让手术工具与骨骼模型自然、任意的进行交互操作，并且还可以满足视觉和触觉反馈计算的需求；（2）创建了具有高逼真度的力觉交互模型，设计了结合骨组织生物力学特征及几何特征的高效的碰撞检测算法，尤其适用于在手术器械高速运转、骨组织形变等复杂手术场景中的碰撞检测，并且实现高效的力觉渲染算法和视觉渲染算法以及二者的同步并行计算，在保证了力觉交互真实性的情况下，力觉的刷新频率达到1000Hz，充分保证的力觉的连续性和鲁棒性，这在目前针对触觉模拟的研究中都是较为先进的研究成果。. 本项目研究成果主要体现为学术论文，预期发表论文7-10篇，SCI或EI收录论文5篇以上，培养研究生3名。实际发表国内外学术论文17篇，其中期刊论文9篇，包括SCI论文6篇和中文期刊论文3篇(中文核心期刊2篇)，会议论文8篇，全部都是EI索引，包括CCF B类论文1篇；国际和国内学术会议专题报告或讲座8次；申请国内发明专利6项，培养研究生5名，其中包含客座研究生1名。. 在财务方面严格按照国际自然科学基金委的要求进行经费支出，总拨款24万元，已花费22.62万元，结余1.38万元。