面向機(jī)器人輔助外科手術(shù)的人體腿部建模與仿真技術(shù)研究.pdf

1、近年來，以計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)療外科技術(shù)為主要研究內(nèi)容的虛擬手術(shù)(VirtualSurgery)受到越來越多的學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，并在臨床上得到了廣泛的應(yīng)用。課題結(jié)合國家863計(jì)劃項(xiàng)目“遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)研發(fā)”和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“機(jī)器人輔助骨外科系統(tǒng)建模與控制方法研究”，通過建立人體腿部的數(shù)字化模型來分析研究矯形外科手術(shù)中人體腿部的生物力學(xué)特性，從而為外科手術(shù)培訓(xùn)和手術(shù)預(yù)演的研究提供重要手段，以改進(jìn)操作者的學(xué)習(xí)曲線，提高手術(shù)的成

2、功率。
　　在介紹脛腓骨骨折復(fù)位牽引手術(shù)的機(jī)理和流程的基礎(chǔ)上，對手術(shù)過程中涉及的腿部各組織進(jìn)行分析。由解剖結(jié)構(gòu)以及生物力學(xué)特性，確定在對抗?fàn)恳衅痍P(guān)鍵作用的骨骼和肌肉。為形態(tài)學(xué)三維重建以及有限元分析明確研究對象，簡化分析模型。
　　根據(jù)腿部各組織的解剖學(xué)形態(tài)，對預(yù)處理后的CT圖像進(jìn)行分割和填充，并采用精確度高、運(yùn)算量小的MarchingCubes三維重建算法實(shí)現(xiàn)腿部骨骼及皮膚組織的形態(tài)學(xué)三維重建。同時(shí)，為了適應(yīng)有限元分析，在

3、保證人體解剖學(xué)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時(shí)，采用漸進(jìn)網(wǎng)格折疊邊簡化算法來優(yōu)化所建立的三維模型，降低模型冗余數(shù)據(jù)。
　　根據(jù)關(guān)鍵組織的三維重建結(jié)果，采用有限元方法自下到上的建立骨骼、皮膚和部分軟組織的生物力學(xué)模型。針對CT圖像無法精確重建肌肉的幾何模型的問題，在充分考慮肌腱的生物力學(xué)特性，又體現(xiàn)肌纖維的微觀解剖結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種新型的肌肉建模方法。最后，通過尸體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)獲得的力位數(shù)據(jù)與有限元仿真數(shù)據(jù)的對比分析，證明建立的人體腿部生物力學(xué)模型的