CN106920272A - 钻孔手术的模拟方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于虚拟现实技术领域，提供了钻孔手术的模拟方法及虚拟现实系统，包括：初始化三维骨骼模型，所述三维骨骼模型的数据结构包括表面网格数据和体素数据，所述体素数据包括体素的材料，所述材料包括骨密质和骨松质；在模拟钻孔的过程中，基于dFn＝(Kn1t1+Kn2t2)dω和dFf＝(Kf1t1+Kf2t2dω对所述钻头的力进行模拟；根据所述钻头的切割进程实时对所述三维骨骼模型进行渲染刷新。本发明对骨骼不同部位的不同材料特性进行了区分，很好地处理了骨物质的非均一特性，在对钻孔手术进行虚拟现实的过程中，提升了模拟的真实性和精确性。
Description
技术领域
本发明属于虚拟现实技术领域，尤其涉及钻孔手术的模拟方法及装置。
背景技术
钻孔是外科手术的基本技能，在钻孔中会用到不同结构、尺寸的工具，但其目的都是为了钻出小孔，然后将螺钉放入其中，而假如钻孔不恰当，则会引起并发症或其他严重后果，例如，在治疗骨折的外科手术中，医生需要钻几个孔并用螺钉固定骨折部位，由于骨折部位本来就很脆弱，因此在这种情况下，钻孔需要十分小心，并且要严格遵循钻孔路径，以避免二次伤害；又例如，椎弓根钉植入，手术部位有很多重要的神经和血管，即便是十分微小的偏移，也有可能出现不可预见的医疗事故。因此，在外科手术中，对钻孔的精确度要求很高，而对钻孔技能的训练也一直是医学院或者医院所头疼的问题。
尽管虚拟现实的系统可以提供低成本、安全和可重复的训练，但是仍缺少真实性和精确性。由于在钻孔的过程中，医生需要知道钻头是否已经穿过骨密质到达骨松质，或者是否已经穿透骨骼，而医生却无法查看骨骼的内部，只能凭借钻头的位置和状态来判断，因此，在训练中需要利用高精度的触觉渲染算法来模拟钻孔过程中力的变化。在目前，用于训练钻孔技能的虚拟现实系统均没有关注到不同部位骨骼的不同材料特性，缺乏真实性和精确性。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了钻孔手术的模拟方法及虚拟现实系统，以解决目前在进行钻孔手术模拟时没有考虑不同部位骨骼的不同材料特性，模拟缺乏真实性和精确性的问题。
第一方面，提供了一种钻孔手术的模拟方法，包括：
初始化三维骨骼模型，所述三维骨骼模型的数据结构包括表面网格数据和体素数据，所述体素数据包括体素的材料，所述材料包括骨密质和骨松质；
在模拟钻孔的过程中，基于dFn＝(Kn1t1+Kn2t2)dω和dFf＝(Kf1t1+Kf2t2dω对所述钻头的力进行模拟，其中，dFn为垂直于骨表面的法向力的微分，dFf为骨表面的摩擦力的微分，Kn1和Kn2分别为骨密质和骨松质上的法向切割能量系数，Kf1和Kf2分别为骨密质和骨松质上的切向切割能量系数，量纲为MPa(N/mm2)，t1和t2分别为骨密质和骨松质的切片厚度，dω为切片宽度；
根据所述钻头的切割进程实时对所述三维骨骼模型进行渲染刷新。
第二方面，提供了一种钻孔手术的模拟装置，包括：
初始化单元，用于初始化三维骨骼模型，所述三维骨骼模型的数据结构包括表面网格数据和体素数据，所述体素数据包括体素的材料，所述材料包括骨密质和骨松质；
模拟单元，用于在模拟钻孔的过程中，基于dFn＝(Kn1t1+Kn2t2)dω和dFf＝(Kf1t1+Kf2t2)dω对所述钻头的力进行模拟，其中，dFn为垂直于骨表面的法向力的微分，dFf为骨表面的摩擦力的微分，Kn1和Kn2分别为骨密质和骨松质上的法向切割能量系数，Kf1和Kf2分别为骨密质和骨松质上的切向切割能量系数，量纲为MPa(N/mm2)，t1和t2分别为骨密质和骨松质的切片厚度，dω为切片宽度；
渲染刷新单元，用于根据所述钻头的切割进程实时对所述三维骨骼模型进行渲染刷新。
本发明实施例提供的上述钻孔手术的模拟方法对骨头不同部位的不同材料特性进行了区分，很好地处理了骨物质的非均一特性，在对钻孔手术进行虚拟现实的过程中，提升了模拟的真实性和精确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的钻孔手术的模拟方法的实现流程图；
图2是本发明实施例提供的椎弓根螺钉植入的模拟过程示意图；
图3是本发明实施例提供的钻孔手术的模拟装置的结构框图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透切理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
图1示出了本发明实施例提供的钻孔手术的模拟方法的实现流程，详述如下：
在S101中，初始化三维骨骼模型，所述三维骨骼模型的数据结构包括表面网格数据和体素数据，所述体素数据包括体素的材料，所述材料包括骨密质和骨松质。
作为本发明的一个实施例，采用的三维骨骼模型可以为复合数据结构，其数据结构包括表面网格数据和体素数据，这两类数据具有物理连接，且随着三维骨骼模型的改变一同变化，进一步地，所述表面网格可以为三角网格。
在进行三维骨骼模型的初始化时，对表面网格数据的渲染需要通过顶点列表来完成，该顶点列表中记录了表面网格的位置、颜色等信息，用于通过绘制表面网格数据实现三维骨骼模型的图像渲染；对体素数据的渲染需要通过体素列表来完成，该体素列表中记录了体素的序号、材料特性等信息，用于通过绘制体素数据实现三维骨骼模型的触觉感知渲染。
在S102中，在模拟钻孔的过程中，基于dFn＝(Kn1t1+Kn2t2)dω和dFf＝(Kf1t1+Kf2t2)dω对所述钻头的力进行模拟，其中，dFn为垂直于骨表面的法向力的微分，dFf为骨表面的摩擦力的微分，Kn1和Kn2分别为骨密质和骨松质上的法向切割能量系数，Kf1和Kf2分别为骨密质和骨松质上的切向切割能量系数，量纲为MPa(N/mm2)，t1和t2分别为骨密质和骨松质的切片厚度，dω为切片宽度。
由于骨骼由骨密质和骨松质构成，这两种构成的材料特性不一样，且在同一时刻的钻孔过程中，钻头切割的材料可能不止一种，需要将不同的材料特性都作为模拟时需要考虑的因素，因此，在本实施例中，获取钻头当前切割的体素所对应的材料，由此来实时获取钻头当前切割的骨材料参数。由于是倾斜钻孔，因此钻头的力可以被分解为法向力dFn和摩擦力dFf，那么相应地，骨材料参数也分为与法向力相关的骨材料参数和与摩擦力相关的骨材料参数。在进行模拟时，力的合成为dFn＝(Kn1t1+Kn2t2)dω，dFf＝(Kf1t1+Kf2t2)dω，其中，dFn是垂直于骨表面的法向力的微分，dFf是骨表面的摩擦力的微分，Kn1和Kn2分别是预设的骨密质和骨松质上的法向切割能量系数，Kf1和Kf2分别是预设的骨密质和骨松质上的切向切割能量系数，量纲为MPa(N/mm2)，t1和t2分别是骨密质和骨松质的切片厚度，dω是切片宽度。
在上述力的公式中，切片厚度和切片宽度的乘积表示了切片的面积，根据机械理论，切割单位切片面积需要的能量是一个常量，将上述力的合成公式转换为全局坐标系下的公式，则力的合成为：
dFr＝-dFnsinφ+Ffcosφcosψ，
dFc＝dFncosφcosτ+dFfsinψsinτ+dFfsinφcosψcosτ，
dFe＝dFncosφcosτ-dFfsinψsinτ+dFfsinφcosψcosτ，
其中，dFr、dFc和dFe分别为所述三维骨骼模型所在三维坐标系下每个轴向方向上的力的微分，所述φ为钻头的斜削角，所述ψ为切屑流动角，所述τ为所述钻头的倾斜角。
在S103中，根据所述钻头的切割进程实时对所述三维骨骼模型进行渲染刷新。
在模拟钻孔的过程中，伴随着钻头工作，骨骼发生磨损，体素的结构在钻孔的过程中改变，一些新的表面体素会出现，而另一些表面体素会消失，对于消失的体素，对应的表面网格就被移除，而对于新出现的表面体素，则也会为其渲染对应的表面网格，由此实现了体素数据与表面网格数据的快速转换，提高触觉渲染算法的刷新率。
此外，作为本发明的一个实施例，在模拟钻头工作过程中，对所述三维骨骼模型进行碰撞检测时，在传统的碰撞检测算法之上，对检测的体素进行改进：在每两个相邻的帧之间，检测的体素不仅包括钻头表面的体素，还包括与钻头及骨骼的表面相连的内部体素，以及钻头运动经过的体素，由此使得三维骨骼模型更加适用于拓扑结构变化频繁的钻孔手术操作。
图2示出了椎弓根螺钉植入的模拟过程示意图，其中，左图是在探寻合适的螺钉插入位置，右图是螺钉被置入，整个虚拟现实系统运行在Intel双核3.0GHz、128G RAM的计算机上，能够通过表面网格的改变给使用者以图像上的反馈，并通过体素的改变给使用者以触觉上的反馈，很好地模拟了真实的外科手术场景。
本发明实施例提供的上述钻孔手术的模拟方法对骨骼不同部位的不同材料特性进行了区分，很好地处理了骨物质的非均一特性，在对钻孔手术进行虚拟现实的过程中，提升了模拟的真实性和精确性。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
对应于上文实施例所述的钻孔手术的模拟方法，图3示出了本发明实施例提供的钻孔手术的模拟装置的结构框图，所述钻孔手术的模拟装置可以是内置于计算机或计算机的应用系统内的软件单元、硬件单元或者是软硬结合的单元。为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。
参照图3，该装置包括：
初始化单元31，初始化三维骨骼模型，所述三维骨骼模型的数据结构包括表面网格数据和体素数据，所述体素数据包括体素的材料，所述材料包括骨密质和骨松质；
模拟单元32，在模拟钻孔的过程中，基于dFn＝(Kn1t1+Kn2t2)dω和dFf＝(Kf1t1+Kf2t2)dω对所述钻头的力进行模拟，其中，dFn为垂直于骨表面的法向力的微分，dFf为骨表面的摩擦力的微分，Kn1和Kn2分别为骨密质和骨松质上的法向切割能量系数，Kf1和Kf2分别为骨密质和骨松质上的切向切割能量系数，量纲为MPa(N/mm2)，t1和t2分别为骨密质和骨松质的切片厚度，dω为切片宽度；
渲染刷新单元33，根据所述钻头的切割进程实时对所述三维骨骼模型进行渲染刷新。
可选地，所述三维骨骼模型为复合数据结构，其数据结构包括表面网格数据和体素数据。
可选地，所述渲染刷新单元33具体用于：
将消失的表面体素对应的表面网格移除，并为新出现的表面体素渲染对应的表面网格。
可选地，所述装置还用于：
在对所述三维骨骼模型进行碰撞检测时，检测的体素包括：所述钻头表面的体素，与所述钻头及骨骼的表面相连的内部体素，以及所述钻头运动经过的体素。
可选地，所述模拟单元32具体用于：
通过全局坐标下的以下公式对所述钻头的力进行模拟：
dFr＝-dFnsinφ+Ffcosφcosψ，
dFc＝dFncosφcosτ+dFfsinψsinτ+dFfsinφcosψcosτ，
dFe＝dFncosφcosτ-dFfsinψsinτ+dFfsinφcosψcosτ，
其中，dFr、dFc和dFe分别为所述三维骨骼模型所在三维坐标系下每个轴向方向上的力的微分，所述φ为钻头的斜削角，所述ψ为切屑流动角。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明实施例各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钻孔手术的模拟方法，其特征在于，包括：
初始化三维骨骼模型，所述三维骨骼模型的数据结构包括表面网格数据和体素数据，所述体素数据包括体素的材料，所述材料包括骨密质和骨松质；
在模拟钻孔的过程中，基于dFn＝(Kn1t1+Kn2t2)dω和dFf＝(Kf1t1+Kf2t2dω对所述钻头的力进行模拟，其中，dFn为垂直于骨表面的法向力的微分，dFf为骨表面的摩擦力的微分，Kn1和Kn2分别为骨密质和骨松质上的法向切割能量系数，Kf1和Kf2分别为骨密质和骨松质上的切向切割能量系数，量纲为MPa(N/mm2)，t1和t2分别为骨密质和骨松质的切片厚度，dω为切片宽度；
根据所述钻头的切割进程实时对所述三维骨骼模型进行渲染刷新。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三维骨骼模型为复合数据结构，其数据结构包括表面网格数据和体素数据。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述钻头的切割进程实时对所述三维骨骼模型进行渲染刷新包括：
将消失的表面体素对应的表面网格移除，并为新出现的表面体素渲染对应的表面网格。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在对所述三维骨骼模型进行碰撞检测时，检测的体素包括：所述钻头表面的体素，与所述钻头及骨骼的表面相连的内部体素，以及所述钻头运动经过的体素。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在模拟钻孔的过程中，基于dFn＝(Kn1t1+Kn2t2)dω和dFf＝(Kf1t1+Kf2t2)dω对所述钻头的力进行模拟包括：
通过全局坐标下的以下公式对所述钻头的力进行模拟：
dFr＝-dFnsinφ+Ffcosφcosψ，
dFc＝dFncosφcosτ+dFfsinψsinτ+dFfsinφcosψcosτ，
dFe＝dFncosφcosτ-dFfsinψsinτ+dFfsinφcosψcosτ，
其中，dFr、dFc和dFe分别为所述三维骨骼模型所在三维坐标系下每个轴向方向上的力的微分，所述φ为钻头的斜削角，所述ψ为切屑流动角，所述τ为所述钻头的倾斜角。
6.一种钻孔手术的模拟装置，其特征在于，包括：
初始化单元，用于初始化三维骨骼模型，所述三维骨骼模型的数据结构包括表面网格数据和体素数据，所述体素数据包括体素的材料，所述材料包括骨密质和骨松质；
模拟单元，用于在模拟钻孔的过程中，基于dFn＝(Kn1t1+Kn2t2)dω和dFf＝(Kf1t1+Kf2t2)dω对所述钻头的力进行模拟，其中，dFn为垂直于骨表面的法向力的微分，dFf为骨表面的摩擦力的微分，Kn1和Kn2分别为骨密质和骨松质上的法向切割能量系数，Kf1和Kf2分别为骨密质和骨松质上的切向切割能量系数，量纲为MPa(N/mm2)，t1和t2分别为骨密质和骨松质的切片厚度，dω为切片宽度；
渲染刷新单元，用于根据所述钻头的切割进程实时对所述三维骨骼模型进行渲染刷新。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述三维骨骼模型为复合数据结构，其数据结构包括表面网格数据和体素数据。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述渲染刷新单元具体用于：
将消失的表面体素对应的表面网格移除，并为新出现的表面体素渲染对应的表面网格。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还用于：
在对所述三维骨骼模型进行碰撞检测时，检测的体素包括：所述钻头表面的体素，与所述钻头及骨骼的表面相连的内部体素，以及所述钻头运动经过的体素。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述模拟单元具体用于：
通过全局坐标下的以下公式对所述钻头的力进行模拟：
dFr＝-dFnsinφ+Ffcosφcosψ，
dFc＝dFncosφcosτ+dFfsinψsinτ+dFfsinφcosψcosτ，
dFe＝dFncosφcosτ-dFfsinψsinτ+dFfsinφcosψcosτ，
其中，dFr、dFc和dFe分别为所述三维骨骼模型所在三维坐标系下每个轴向方向上的力的微分，所述φ为钻头的斜削角，所述ψ为切屑流动角，所述τ为所述钻头的倾斜角。
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| CN104679918A (zh) * | 2013-11-26 | 2015-06-03 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种模拟骨钻与骨骼间力觉交互的方法、装置及系统 |
| CN104933935A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-09-23 | 佛山市中医院 | 一种基于机械模型的骨钻孔触觉交互方法 |
-
2015
- 2015-12-25 CN CN201510991551.3A patent/CN106920272A/zh active Pending
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| CN112288887A (zh) * | 2020-10-15 | 2021-01-29 | 雅客智慧（北京）科技有限公司 | 磨削模拟方法、装置、电子设备和存储介质 |
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