利用虚拟现实技术构建中医正骨临床训练系统及其关键技术研究

The technique of traditional Chinese bone-setting is difficult to teach and difficult to learn, which impedes the inheritance and development of it. The project uses three-dimensional reconstruction, virtual simulation, finite element analysis, and wireless sensor networks etc. to create a virtual bone-setting clinical training system that helps learning traditional Chinese bone-setting skills. The main research content are as follows: ①the use of three-dimensional reconstruction data of fracture to establish a three-dimensional virtual simulation model of fracture and then make a physical fracture model; ②build a wireless sensor network on the physical fracture model and collect the various changed parameters during bone-setting process; ③apply the collected data to the three-dimensional virtual simulation model of fracture, and establish a linkage mechanism between the virtual fracture model and the physical one; ④ build a three-dimensional finite element model of fracture for biomechanical analysis, and make clear the relationship between strength and effect for orthopedic practices;⑤ collect multiple strength variation parameters from fracture model during bone-setting procedures , and plot standard anatomical process intensity curve. The project aims to change the traditional teaching model of bone-setting techniques, making the training process of bone-setting skills on physical fracture model to accurately and intuitively presented on three-dimensional virtual simulation fracture model. The operators can observe their own orthopedic practices reset effect, and timely adjust orthopedic practices, therefore enhancing the level of traditional Chinese bone-setting techniques.

中医正骨手法难教难学阻碍着中医正骨的传承与发展。本项目利用三维重建、虚拟仿真、有限元分析和无线传感器网络等技术，建立虚拟正骨手法临床训练系统，有助于中医正骨手法的学习。本项目的主要研究内容是：①利用骨折三维重建数据建立三维虚拟仿真骨折模型，并制作与其一致的实体骨折模型；②在实体骨折模型上搭建无线传感器网络，采集正骨过程中的各种变化参数；③将采集到的数据作用于三维虚拟仿真骨折模型，建立与实体骨折模型的联动机制；④建立骨折的三维有限元模型进行生物力学分析，明确正骨手法的力效关系；⑤在实体骨折模型上采集多次正骨过程的力度变化参数，绘制标准解剖复位过程力度曲线。本项目旨在改变传统中医正骨手法教学模式，使在实体骨折模型上进行的正骨手法训练过程，能同时在三维虚拟仿真骨折模型上准确、直观地呈现，操作者能够时刻观察到自己正骨手法的复位效果，并能及时调整正骨手法，从而提升中医正骨的医疗水平。

本项目通过研发“虚拟中医正骨手法临床训练系统”，构建了可反复使用、可量化评价的中医正骨手法实操训练平台，改善了中医正骨手法训练机会匮乏、培训方法单一的现状，解决了正骨效果缺乏规范定量评价标准的问题。该系统研制流程如下：1、基于大量临床实际骨折病例，运用机械加工和三维重建技术构建实体骨折模型和与之相对应的三维虚拟仿真骨折模型。2、在实体骨折模型上安装无线传感器，采用无线体感网和姿态解算技术实现虚实骨折模型之间的联动机制。3、课题组使用改进后的卡尔曼滤波和中值滤波降噪算法降低数据传输过程中的噪声干扰，提高联动机制的实时性和准确性。4、采集正骨专家操作该系统进行正骨操作的骨骼运动轨迹数据，通过数据融合和数据拟合，创新性地制定了正骨操作的量化评价标准曲线。此外，课题组运用有限元分析方法对中医正骨手法的作用机制进行了科学性阐释。针对典型人体上肢骨折病例，课题组首先基于CT图像构建了符合人体几何特性和物理特性的肱骨三维有限元模型，并进行了模型的有效性验证。随后模拟骨骼受到外力产生的断裂和位移，得到A3型肱骨骨折有限元模型。然后，将正骨手法操作过程中的力学特征进行数值化提取和分析，并逐步加载到骨折模型上，进行力学分析，观察手法作用时骨折部位位移和内在应力的变化，并分析计算结果，推测手法的作用机制。有限元分析方法为科学解释正骨手法的作用机制、验证正骨手法的科学性提供了一条全新的道路。本项目的研究成果形成了“正骨手法可设计、手法病例可定制、骨骼轨迹可视化、正骨效果可量化、手法科学性可验证”的中医正骨手法传承创新的新模式。成果研制过程中，课题组获发明专利3项、实用新型专利1项、软件著作权3项、发表论文18篇，其中SCI收录1篇、培养研究生9名。该课题的研究成果获得了山东省教学成果一等奖和山东省高等学校科学技术奖三等奖。课题组积极推动研究成果落地，已在一所高校和五所医院进行了推广应用，用户反馈良好。