基于力反馈的腰椎内固定虚拟手术训练系统构建

目的为实现虚拟手术环境全方位的实时交互,本文针对脊柱腰椎椎弓根螺钉内固定手术构建了虚拟手术训练系统。方法通过脊柱模型的虚拟几何建模和纹理渲染以高真实感地模拟真实虚拟手术环境,同时基于椎体骨的体素模型通过多点碰撞检测算法和钻骨力预测经验模型,实现钻骨操作的碰撞检测及反馈力实时计算,并模拟椎弓根钉植入过程的视觉和触觉感受。结果该虚拟手术训练系统实现了虚拟视觉及虚拟力触觉的实时交互,模拟了椎弓根钉植入操作手感。结论虚拟手术训练系统为椎弓根螺钉内固定手术操作提供了视觉与力触觉模拟,实现了一种精确、安全、灵活的训练方式。     

基于位置动力学的软组织建模研究

目的为满足虚拟手术模拟实时性与真实性要求,本文采用位置动力学的算法建立虚拟手术系统的软组织形变模型。方法首先以人体软组织肝脏为例,对表面三角形网格进行四面体划分,用四面体网格来构造肝脏的形变模型;然后介绍位置动力学模型的算法原理并推导几何约束投影,赋予软组织形变模型距离约束和体积约束;提出手术器械拾取控制点的碰撞检测方法,并利用触觉交互设备搭建虚拟手术仿真平台;最后对肝脏等软组织进行形变模拟实验及时间效率分析,并与质点-弹簧模型对比。结果位置动力学模型相比质点-弹簧模型形变效果更逼真,肝脏模型形变耗时仅为3.07 ms,系统帧率达到60帧/s以上。结论基于位置动力学的软组织建模具有真实的变形模拟和较高的计算效率。     

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。     

虚拟置换后的膝关节力学分析

背景：仿真力学具有可重复性和对模型无损伤性的优势,加上个性化结构模型提高了有限元分析的可靠性,选择虚拟置换后对膝关节的力学分析不失为一种优化尝试。 目的：通过膝关节置换虚拟手术,用有限元法全面分析术后的膝关节接触面的受力状况,为下一步“手术规划”实验提供客观资料。 方法：CT/MR扫描患侧膝关节,激光扫描假体,经逆向软件数字化重建假体、膝关节及其韧带并测量下肢力线, 根据膝关节置换标准,用Mimics中的Simulation性能模拟膝关节置换手术的截骨、置入假体之后, 再将所得的模型导入ANSYS划分网格、材料赋值、施加载荷,以有限元法分析接触应力分布。 结果与结论：获得最佳的全膝关节置换后3D膝关节有限元模型,测得的力学数据与前人在力学实验中对假体直接测试所获得的结果基本一致。以有限元方法分析出虚拟置换后膝关节的结构形变、应力分布、内部能量变化等情况,有利于寻找假体置入的最佳位置、优化截骨、预见手术结果,成为手术规划不可缺少的数据。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程全文链接：     

肾俞穴针刺的力反馈研究

背景：采用以计算机为核心的各种技术,将针灸专家正确有效的针刺方法,生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的计算机虚拟环境进行模拟针刺,能够极大增强操作者的真实感,减少临床针刺意外的发生。 目的：构建虚拟肾俞穴针刺力反馈仿真系统。 方法：通过力反馈设备,录取针灸名师的肾俞穴针刺手法,融入数字化虚拟人体。运用虚拟现实技术,在融合了肾俞穴信息的三维数字人体上,根据肾俞穴下各组织的物理特性,分析针刺过程中针体与组织的相互作用力,建立力学模型模拟针体受力,并通过力反馈设备真实地传递给操作者。 结果与结论：初步实现了肾俞穴虚拟针刺力反馈仿真,使可视化的针灸虚拟人具有可现场模拟肾俞穴进针的触觉再现。肾俞穴针刺力反馈研究,为融合视觉、触觉和力反馈信息一体化的虚拟针刺作了初步探索,为针刺教学提供了一种动态的一对一仿真手段。     

手术器械触觉力的检测技术现状

普通外科手术中,外科医生主要依赖触觉反馈来操控手术器械和判断组织性质,但微创手术很难实现触觉反馈.本文综述了国内外对手术剪刀、手术刀和微创手术器械触觉力的研究现状,从实验装置、传感器位置和测量原理等方面分析了触觉力测量和反馈中的关键技术.随着集成/嵌入式传感器、模块化设计、微机电系统等技术的广泛应用,触觉力测量的研究也将为无创手术器械的力学性能检测提供新的思路.     

虚拟手术中软组织形变建模及力反馈算法研究

基于弹簧-质点模型,建立一种改进的软组织实时形变模型.在正六边形拓扑结构软组织表面模型中,增加了虚拟体弹簧,以实现更加真实的形变效果.在系统中各质点处,表面弹簧形变量的叠加等效为物体表面形变,各质点处虚拟弹簧弹性力的合力等效为物体表面的接触力.该模型继承了经典弹簧质点模型的原理简单、易建模、计算速度快等优点,同时还具有控制变形区域的能力.基于此模型,利用PHANTOM触觉交互设备,进行了软组织形变以及实时虚拟力反馈仿真实验.实验表明,该模型效果逼真,反馈力刷新一次小于l ms,能够满足虚拟手术系统实时性的要求.     

虚拟心脏搭桥手术模型雕塑系统的研究

目的利用力反馈装置在虚拟三维环境中实现抓取和变形等操作,模拟心血管手术中的血管搭桥术式。方法利用医院中真实病人的CT扫描数字图片重建出心脏可视化模型并进行显示,建立搭桥血管,然后利用力反馈装置对血管模型进行雕塑,以模拟Fontan手术中从肺动脉到右心室的血管搭桥手术。结果在虚拟三维环境中显示心脏的空间结构,选择任意长度和直径的血管进行虚拟搭桥仿真,或选择自定义大小的补片对模型进行修补,最终得到术后模型和测量参数。结论力反馈装置在虚拟心脏搭桥手术中的应用为今后模拟各种手术术式、建立包含力学特性的手术规划系统奠定了基础。     

手术机器人面临的一大挑战———力触觉反馈

机器人手术作为一种微创手术技术,由于其高度的精准性,已经得到了外科医生的广泛认可。但机器人手术最大的局限之一就是外科医生缺乏操作的“手感”（即力触觉反馈）,增加了手术的不确定性和风险性,从而限制了手术机器人的进一步发展。文中从手术机器人力触觉反馈系统的组成、关键技术、以及当前的研究现状等几个方面,对该反馈系统进行了综述。力触觉反馈包括力反馈与触觉反馈。该系统的实现依赖力触觉的传感与再现,本文介绍了常用的力触觉传感器、再现设备及感觉模拟技术,并分析了各项技术的优缺点。对力触觉反馈系统在手术机器人的研究进展进行了概述。在汇总以前研究的基础上,对相关研究做了展望。     

基于生物力学信息数字化机器人辅助手术系统

目的 建立一套数字化机器人辅助手术系统再现真实手术过程,并通过仿真系统与外部力反馈设备的结合实现对虚拟环境中机器人的控制和力觉反馈。方法 系统的设计包括：基于生物力学理论的人体组织建模、基于有限元方法人体组织生物力学模型的计算、外部力反馈设备的设计、控制算法设计等。通过多层次模型、系统集成等方法,实现基于生物力学信息并具有交互特性的虚拟机器人辅助骨折牵引复位手术平台。结果 当主手控制系统和虚拟环境生成机通过局域网连接成功后,该系统完成了闭环信息传递过程。结论 该系统可以实现对虚拟环境中手术机器人的主从控制、视觉反馈和力觉反馈。该项研究为数字化模拟外科手术相关技术的发展起到推进作用,模拟手术在提高手术成功率、新医生的培训方面具有很强的优势。     

Virtual reconstruction of the posterior cruciate ligament for mechanical testing of total knee arthroplasty implants

BackgroundTotal knee arthroplasty (TKA) design continues to be refined. As part of the pre-clinical design process, kinematic evaluation under ideal circumstances must be simulated. Previously, this was accomplished mechanically through the use of elastomeric bumpers and human cadaver models, which can be costly and time-intensive. With improved technology, a six-axis joint simulator now allows for virtual ligament reconstruction. The aim of this study was to create and evaluate a virtual posterior cruciate ligament (PCL) model to simulate native knee kinematics for component testing in TKA.MethodsThree human cadaveric knee specimens were utilized, each mounted in a six-axis joint simulator and the femoral and tibial ligament insertion points digitized. Ligament stiffness and kinematics were first tested with the intact knee, followed by retesting after PCL transection. Knee kinematic testing was then repeated, and the virtual PCL was reconstructed until it approximated that of the intact knee by achieving less than 10% random mean square (RMS) error.ResultsA virtual three-bundle PCL was created. The RMS error in anterior–posterior motion between the virtually reconstructed PCL and the intact knee ranged from six to eight percent for simulated stair climbing in the three knee specimens tested, all within our target goal of less than 10%.ConclusionThis study indicated that a virtually reconstructed three-bundle PCL with a joint simulator can replicate knee kinematics. Such an approach is valuable to obtain clinically relevant kinematics when testing cruciate-retaining total knee arthroplasty under force control.     

从生物力学角度评价单髁置换术与腓骨截骨术

膝关节单间室骨性关节炎引起的膝内翻是常见病症之一,目前手术方法主要有胫骨高位截骨术、单髁置换术以及最新推广的腓骨截骨术。单髁置换术自开展以来已有60余年历史,相比全膝关节置换术具有可保留膝关节正常运动、手术创伤小、保留骨量多以及术后关节活动度大等优点,故单髁置换术已成为治疗内侧间室骨关节炎一种可靠的治疗方式。腓骨截骨术是一种治疗膝内翻的新治疗手段,具有手术简单、费用低、恢复快等优点,目前正在被大力推广,但其治病机制尚不很清楚。综述单髁置换和腓骨截骨两种临床手术方式,并从生物力学角度推论腓骨截骨术治疗内侧间室骨性关节炎的可能机制,提出腓骨截骨术后外侧收缩肌力下降导致关节合力矩再平衡,故关节接触位置改变、关节接触力下降可能是腓骨截骨术能够缓解疼痛治疗骨性关节炎的原因。     

从生物力学角度评价单髁置换术与腓骨截骨术

膝关节单间室骨性关节炎引起的膝内翻是常见病症之一，目前手术方法主要有胫骨高位截骨术、单髁置换术以及最新推广的腓骨截骨术。单髁置换术自开展以来已有60余年历史，相比全膝关节置换术具有可保留膝关节正常运动、手术创伤小、保留骨量多以及术后关节活动度大等优点，故单髁置换术已成为治疗内侧间室骨关节炎一种可靠的治疗方式。腓骨截骨术是一种治疗膝内翻的新治疗手段，具有手术简单、费用低、恢复快等优点，目前正在被大力推广，但其治病机制尚不很清楚。综述单髁置换和腓骨截骨两种临床手术方式，并从生物力学角度推论腓骨截骨术治疗内侧间室骨性关节炎的可能机制，提出腓骨截骨术后外侧收缩肌力下降导致关节合力矩再平衡，故关节接触位置改变、关节接触力下降可能是腓骨截骨术能够缓解疼痛治疗骨性关节炎的原因。     

从生物力学角度评价单髁置换术与腓骨截骨术

膝关节单间室骨性关节炎引起的膝内翻是常见病症之一,目前手术方法主要有胫骨高位截骨术、单髁置换术以及最新推广的腓骨截骨术。单髁置换术自开展以来已有60余年历史,相比全膝关节置换术具有可保留膝关节正常运动、手术创伤小、保留骨量多以及术后关节活动度大等优点,故单髁置换术已成为治疗内侧间室骨关节炎一种可靠的治疗方式。腓骨截骨术是一种治疗膝内翻的新治疗手段,具有手术简单、费用低、恢复快等优点,目前正在被大力推广,但其治病机制尚不很清楚。综述单髁置换和腓骨截骨两种临床手术方式,并从生物力学角度推论腓骨截骨术治疗内侧间室骨性关节炎的可能机制,提出腓骨截骨术后外侧收缩肌力下降导致关节合力矩再平衡,故关节接触位置改变、关节接触力下降可能是腓骨截骨术能够缓解疼痛治疗骨性关节炎的原因。     

虚拟手术中的力学变形和力觉感知

虚拟手术是培训医生的新兴的有效手段,在虚拟环境中利用视觉、听觉、触觉力觉多感知交互信息,学习和感知手术过程,其中触觉力觉是至关重要的和较难的技术,本文分析了触觉力觉技术在虚拟手术过程中的重要性以及国内外研究现状,对力学变形算法和力觉感知硬件设备的研制和应用进行了探讨。虚拟手术研究的进一步开展,将提高我国数字医学研究的水平。     

智能可穿戴康复系统在膝关节置换术后康复训练中的应用效果

目的 探讨智能可穿戴康复系统在人工全膝关节置换(TKA)术后患者康复训练中的临床应用价值。方法 前瞻性研究。纳入2017年10月—2018年4月在北京博爱医院接受TKA手术治疗的120例患者,其中男51例、女69例,年龄55~78岁,体质量指数(BMI)19.7~32.6 kg/m²,术前膝关节活动度(ROM)84°~117°,K-L分级Ⅲ级42例、Ⅳ级78例。采用随机数法将患者分为对照组60例和康复组60例。住院期间和出院后,对照组患者采用传统遵医嘱、按时复查方式训练,康复组使用NEO-SMART智能可穿戴康复系统辅助进行康复训练。观察两组患者在各随访时间点的膝关节疼痛视觉模拟评分(VAS)、ROM、美国特种外科医院(HSS)膝关节评分。结果 两组患者性别、年龄、BMI、K-L分级比较,差异均无统计学意义(P值均＞0.05)。120例患者中4例失访,其余均获随访6个月。对照组和康复组患者的VAS比较,术后48 h差异无统计学意义(P＞0.05),术后2周和1个月时康复组VAS分别为(2.2±0.61)和(1.2±0.37)分,对照组分别为(2.5±0.82)和(1.7±0.53)分,康复组均低于对照组,差异均有统计学意义(P值均＜0.01);两组患者膝关节ROM比较,术后48 h差异无统计学意义(P＞0.05)。术后 2周、1个月、3个月时分别为88.7°±3.60°和93.1°±3.07°、96.8°±3.76°和103.5°±3.47°、99.8°±4.05°和107.3°±4.33°,差异均有统计学意义(P值均＜0.01);两组患者HSS评分比较,术后1、3、6个月康复组均显著优于对照组(P值均＜0.01)。结论 使用智能可穿戴康复系统可显著提高TKA患者的术后康复训练效果,值得临床推广应用。     

一种具有触觉再现功能的人体心脏组织虚拟内镜系统

目的传统的虚拟内镜检查过程中,操作者不能感知器官或病变组织与虚拟内镜探头的相互作用力,存在误判的可能。为在一定程度上解决该问题,本文研究并实现了一种具有触觉再现功能的虚拟内镜系统。方法首先,构建了由传动绞轮、触觉手柄与基座组成的人机物理接口,采用Arduino作为主控制器接收虚拟环境中虚拟探头与组织的作用力,控制直流电机输出不同的扭矩,驱动人机物理接口实现力的传输和再现;然后,设计以磁阻传感器KMA210为核心的位置编码器,检测装置中触觉手柄的位移信息,控制虚拟环境中内镜探头的移动;最后,设计通信接口,采用CHAI3D开发人体心脏组织的虚拟内镜仿真环境,并对虚拟环境和触觉再现装置进行集成,并进行测试和验证。结果该触觉再现装置能够在单自由度方向上控制虚拟环境中的探头,再现虚拟环境下内镜与心脏内部组织或血管的相互作用力(0~3 N)。结论通过对虚拟内镜环境下触觉再现技术的研究,初步实现了具有触觉感知力学反馈功能的人体心脏组织虚拟内镜系统。     

Soft tissue modelling through autowaves for surgery simulation

Modelling of soft tissue deformation is of great importance to virtual reality based surgery simulation. This paper presents a new methodology for simulation of soft tissue deformation by drawing an analogy between autowaves and soft tissue deformation. The potential energy stored in a soft tissue as a result of a deformation caused by an external force is propagated among mass points of the soft tissue by non-linear autowaves. The novelty of the methodology is that (i) autowave techniques are established to describe the potential energy distribution of a deformation for extrapolating internal forces, and (ii) non-linear materials are modelled with non-linear autowaves other than geometric non-linearity. Integration with a haptic device has been achieved to simulate soft tissue deformation with force feedback. The proposed methodology not only deals with large-range deformations, but also accommodates isotropic, anisotropic and inhomogeneous materials by simply changing diffusion coefficients.     

全膝关节置换术与单髁置换术治疗膝关节单间室骨关节炎的疗效比较

目的 比较全膝关节置换术(TKA)与膝关节单髁置换术(UKA)治疗膝关节单间室骨关节炎的临床疗效。方法 对2012年3月—2015年3月徐州医科大学附属医院骨科88例行TKA或UKA治疗单间室骨关节炎并获得随访患者的临床资料进行回顾性分析,依据不同手术方法分为TKA组48例(48膝)和UKA组40例(40膝)。采用美国特种外科医院(HSS)膝关节评分,评价疗效。比较两组患者手术时间、术中出血量、术后引流量,术后第1天、3天、1周血红蛋白水平和术后第3天血红蛋白较术前的下降量,以及末次随访时关节活动度和疗效。结果 两组患者手术顺利,88例患者获随访6~36个月,平均20.25个月。TKA组手术时间(85.77±7.61)min多于UKA组的(80.50±6.82)min,术中出血量(103.54±17.68)mL多于UKA组的(74.75±11.82)mL,术后引流量(420.21±68.80)mL多于UKA组的(241.75±53.05)mL,差异均有统计学意义(t=3.389、t'=8.787、t'=13.411,P值均＜0.01)。两组术前血红蛋白水平差异无统计学意义(P＞0.05);TKA组术后第1天、3天、1周血红蛋白均低于UKA组,术后第3天血红蛋白较术前的下降量高于UKA组,差异均有统计学意义(P值均＜0.05)。UKA组术后膝关节屈曲至90°所需时间为(7.33±3.02)d,短于TKA组的(12.63±3.10)d(t=8.086,P＜0.01);末次随访UKA组患者膝关节屈曲角度为116.98°±13.71°,大于TKA组的125.13°±15.95°(t=2.576,P＜0.01)。TKA组和UKA组HSS评分优、良、可、差者分别为25、19、3、1例和23、15、2、0例,其优良率分别为91.67%(44/48)和95.00%(38/40),差异无统计学意义(Z=0.603,P＞0.05)。两组患者中仅TKA组发生深静脉血栓1例,经介入治疗后痊愈;其余患者无手术并发症发生。结论 UKA与TKA治疗膝关节单间室骨关节炎均能获得满意的临床疗效,但UKA具有出血少、手术时间短、功能恢复快等优点。     

Relationship between leg extensor muscle strength and knee joint loading during gait before and after total knee arthroplasty

ObjectiveThe aim of the present study was to evaluate an isometric maximal voluntary contraction (MVC) force of the leg extensor muscles and its relationship with knee joint loading during gait prior and after total knee arthroplasty (TKA).MethodsCustom-made dynamometer was used to assess an isometric MVC force of the leg extensor muscles and 3-D motion analysis system was used to evaluate the knee joint loading during gait in 13 female patients (aged 49–68 years) with knee osteoarthritis. Patients were evaluated one day before, and three and six months following TKA in the operated and non-operated leg.ResultsSix months after TKA, MVC force of the leg extensor muscles for the operated leg did not differ significantly as compared to the preoperative level, whereas it remained significantly lower for the non-operated leg and controls. The knee flexion moment and the knee joint power during mid stance of gait was improved six months after TKA, remaining significantly lowered compared with controls. Negative moderate correlation between leg extensor muscles strength and knee joint loading for the operated leg during mid stance was noted three months after TKA.ConclusionsThe correlation analysis indicates that due to weak leg extensor muscles, an excessive load is applied to knee joint during mid stance of gait in patients, whereas in healthy subjects stronger knee-surrounding muscles provide stronger knee joint loading during gait.Level of Evidence: III (correlational study)