面向虚拟钻骨手术的操作力模型构建及力触觉反馈模拟研究

批准号:
51575343
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
林艳萍
依托单位:
学科分类:
E0506.机械设计学
结题年份:
2019
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
汪方、刘利、于得栋、李元超、桑元俊、王会祥、郭晓杰、李斯铭、王玮
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中文摘要
骨科医生必须经过严格训练和反复实践后才能掌握手术操作的精准“手感”,具备敏感的力感知能力。传统的基于模型、动物或尸体的手术训练方式因效率低、成本高、灵活性差等弊端,导致医生的成长周期长。为了让医生高效、精确地掌握钻骨操作手感,本项目致力于虚拟钻骨操作的精确模拟研究,解决力预测模型的精确建立及力触觉交互的实时模拟两个关键问题。针对骨组织不均匀性及个体差异特性,项目拟建立与骨密度值相关的钻骨操作力预测模型,通过大样本低置信度有限元分析模拟数据和小样本高置信度尸体测量数据,对力预测模型进行二次学习,以保证模型收敛速度和预测精度;建立具有独立体素特征的骨组织物理模型,通过并行算法加速解析钻头切削刃与体素间碰撞检测,结合用户输入参数,通过力预测模型实时计算钻骨操作力,实现力触觉交互模拟;通过系统信效度分析来评价钻骨操作模拟的精度和训练效果,为骨科手术提供一种精确、高效、灵活的虚拟训练方式。
英文摘要
Bone drilling is the essential surgical skill and widely used in orthopedic surgery. The surgeon must be very careful to apply appropriate forces and to operate the tools at appropriate speeds to avoid over-operation. Becoming a skillful surgeon with sensitive force perception requires rigorous training and repeating practice. Traditionally, the medical students used the models, animals or cadavers to train their bone machining skill. But this method is unrealistic, non reusable or expensive. A visuo-haptic surgical simulator provide the virtual environments for simulating real-world, and employ the haptic devices for force feedback. It can provide a safe, cost-effective, and repeatable training method for surgical training. In order to provide the high fidelity haptic rendering for bone drilling, this research focuses on the bone drilling force model and real time haptic rendering. With two data samples with different confidence level, the artificial neural network will be trained with two steps. The simulation samples are from the finite element analyses results and the true samples are the measured data in the cadaveric bone. In this way, the convergence rate and the predictive precision of the force model can be guaranteed. Furthermore, the voxel based model with independent bone density value from CT images is constructed for the bone. By employing parallel algorithm, the collision detection between the cutting lips of the drill bit and the voxels of the bone model can be accelerating accomplished. Moreover, The evaluation and validation of the bone drilling simulation will be conducted to demonstrate the skill training effects. This research will provide the a raining alternative in bone drilling for novices.
针对传统虚拟钻骨手术训练存在的诸多问题,本项目基于力反馈技术和虚拟手术技术,致力于为受训者提供精准的虚拟钻骨力并实现实时的力触觉交互反馈。本项目通过对钻骨过程进行有限元仿真和钻骨过程实验数据采集与分析,确定了钻骨力与主要影响因素的关系,同时通过神经网络模型得到关于骨密度、钻头钻削速度和转速的钻骨力预测模型。在力触觉交互的实时模拟方面,针对骨组织不均匀特性,建立了与骨密度值相关的具有独立体素特征的骨组织模型,基于此模型设计了快速碰撞检测、体素去除等算法,保证虚拟钻骨过程中反馈力的准确性与稳定性。项目开发完成了“脊柱椎弓根钉植入手术训练系统”,并开展了系统信效度分析,评价了钻骨操作模拟的精度和训练效果。分析结果表明该系统为骨科手术提供了一种更为高效灵活的训练方式,为解决我国手术训练成本高效率低等问题提供了全新解决思路,并提供了核心算法与技术支持。通过
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A predictive bone drilling force model for haptic rendering with experimental validation using fresh cadaveric bone
用于触觉渲染的预测骨钻孔力模型,并使用新鲜尸体骨进行实验验证
DOI:10.1007/s11548-016-1463-7
发表时间:2017
期刊:International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery
影响因子:3
作者:Lin Yanping;Chen Huajiang;Yu Dedong;Zhang Ying;Yuan Wen
通讯作者:Yuan Wen
DOI:--
发表时间:2017
期刊:上海交通大学学报(医学版)
影响因子:--
作者:黄永辉;潘显纬;林艳萍;陈华江;张颖;袁文
通讯作者:袁文
DOI:10.1093/ons/opy030
发表时间:2018
期刊:Oper Neurosurg (Hagerstown)
影响因子:--
作者:Hou Yang;Lin Yanping;Shi Jiangang;Chen Huajiang;Yuan Wen
通讯作者:Yuan Wen
DOI:--
发表时间:2016
期刊:北京生物医学工程
影响因子:--
作者:林艳萍;郭晓杰;陈华江;张颖;袁文;王成焘
通讯作者:王成焘
DOI:--
发表时间:2018
期刊:脊柱外科杂志
影响因子:--
作者:侯洋;梁磊;林艳萍;史建刚;陈华江;袁文
通讯作者:袁文
基于光波导恒压控制和图像智能分割的超声引导机器人精准穿刺研究
- 批准号:--
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:58万元
- 批准年份:2021
- 负责人:林艳萍
- 依托单位:
基于超声与光学耦合定位的骨组织无创实时跟踪方法研究
- 批准号:51205250
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:25.0万元
- 批准年份:2012
- 负责人:林艳萍
- 依托单位:
国内基金
海外基金
