（机械电子工程专业论文）虚拟膝关节镜手术中游离体摘除术的模拟技术研究.pdf

u n i v e r s i t yo fe e r l n g 叁i c l e n c e一一t h er e a l t i m es i m u l a t i o no fr e m o v i n gl o o s eb o d yi nv i r t u a la r t h r o s c o p i cs u r q e r y一rm a s t e rd e g r e ec a n d i d a t e ：z h a n gx i n y u a ns u p e r v i s o r ：p r o f h eh a n w um a y2 0 1 0s c h o o lo fe l e c t r o - m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gg u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yg u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a 。5 10 0 0 6摘要摘要临床上膝关节镜手术已经广泛开展，而由于这种手术的复杂性和风险性，外科医生需要严格的、长时间的训练才能达到临床应用的程度。建立可视化的模拟手术训练虚拟环境，不仅可以大大降低培训成本，而且可以有效的提高培训的效率，使外科医生以更直观的方式进行模拟手术训练。在临床调研的基础上，本文针对临床上常见的游离体摘除手术，研究相关的实时模拟技术。建立一个逼真的虚拟环境可以很好的提高模拟手术操作的真实性。本文以右腿的核磁共振图像和c t 图像为指导，以解剖模型图为3 dm a x 8 0 的建模背景图，构建半月板、前后交叉韧带、股骨、胫骨等组织模型；以实物照片为背景图，建立了各个手术器械的三维模型。建立3 d s 模型文件库，在详细分析模型文件块结构的基础上，设计了块结构的迭代读取算法。用c + + 语言编写了读取模型的类接口函数，结合o p e n g l 图形a p i 编写了再现模型的渲染接口函数。良好的交互操作功能和互动效果，能够有效的锻炼外科医生的手法操作和提高诊断分析能力。本文采用5 d td a t a - g l o v e5 数据手套作为外设交互设备，建立基于手势的动作映射控制方法，使模拟套筒( 内窥镜、手术刀) 沿固定点实现四自由度的方位改变。在手术器械的干扰游离体的开始运动，对游离体可能发生的各种碰撞做了理论抽象：点线碰撞、点面碰撞和球体碰撞，并给出相关了碰撞侦测方法和碰撞过程处理方法。在分析关节腔内部生理环境的基础上，研究了游离体的受力情况，推导出了游离体的运动微分方程。为了在模拟程序中实时的更新游离体运动状态，给出运动微分方程的两种数值求解方法：中点法和改进的欧拉法，并分析了两种方法的适用情况。考虑多个游离体的存在，给出多重游离体的运动干涉处理方法。研究o p e n g l 的贴图原理和片断测试机制，实现透明皮肤和内窥镜头模拟。本文在v c + + 2 0 0 5 环境下，建立多文档的m f c 多视口程序。在分析w i n d o w s 平台下o p e n g l 运行机制的基础上，配置了o p e n g l 库函数文件和工程链接。利用窗口分割技术，设计了模拟系统的程序界面：导航区、信息区、内窥镜观察区和场景区。设置了游离体夹取规则，当碰撞情况满足夹取规则时即取出游离体。在个人p c 上实现的模拟系统能够达到较好的模拟效果，满足一定的操作训练的需求。关键词：游离体，实时模拟，膝关节镜手术，虚拟手术，交互操作广东工业大学硕士学位论文na b s t r a c ta b s t r a c tc l i n i c a la r t h r o s c o p i ck n e es u r g e r yh a sb e e nw i d e l yc a r r i e do u 毛a n db e c a u s eo ft h i ss u r g e r yi sh i g i ac o m p l e x i t ya n dr i s k ，t h es u r g e o nn e e d sas t r i c t , l o n g t e r mt r a i n i n gt oa c h i e v et h ed e g r e eo fc l i n i c a la p p l i c a t i o n s t h ee s t a b l i s h m e n to fs u r g i c a lt r a i n i n gs i m u l a t i o nv i s u a ls i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t , n o to n l yc a nr e d u c et r a i n i n gc o s t s ，a n dc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft r a i n i n g ，s ot h a tt h es u r g e o nh a v eam o r ei n t u i t i v ea p p r o a c ht ov i r t u a ls u r g e r yo p e r a t i o n b yt h er e s e a r c ho fo r t h o p a e d i ch o s p i t a li ng u a n g z h o u , iu n d e r s t a n dt h a tt h e r ei sav a r i e t yo fa r t h r o s c o p i ck n e es u r g e r yp a t h o l o g y i nt h i sp a p e r , a i m i n ga tac o m m o nc l i n i c a ls u r g i c a l r e m o v a lo fl o o s eb o d i e s ，r e s e a r c hr e l a t e dt or e a l - t i m es i m u l a t i o n t h ee s t a b l i s h m e n to far e a l i s t i cv i r t u a le n v i r o n m e n tc a nb ev e r yg o o dt oi m p r o v et h ea u t h e n t i c i t yo fs i m u l a t e ds u r g i c a lp r o c e d u r e i nt h i sp a p e r , t h em a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g e sa n dc ti m a g e so fr i g h tl e ga sag u i d e ，ib u i l dm e n i s c u s ，c r u c i a t el i g a m e n t ，t h ef e m u r , t i b i aa n do t h e ro r g a n i z a t i o nm o d e l si n3 dm a x 8 o ；t a k ep h o t o sa st h eb a c k g r o u n dm a p ，e s t a b l i s h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l so fv a r i o u ss u r g i c a li n s t r u m e n t s 3 d sm o d e lf i l el i b r a r ye s t a b l i s h e d ，w i t ht h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h em o d e lf i l eb a s e do nb l o c ks t r u c t u r e ，r e a di t e r a t i v ea l g o r i t h mo fb l o c ks t r u c t u r ei sd e s i g n e d w r i t ei n t e r f a c ef u n c t i o n su s i n gc + + c l a s s e st or e a dt h em o d e l ，c o m b i n i n gw i t ho p e n g lg r a p h i c sa p lw r i t em o d e lr e n d e r i n gi n t e r f a c ef u n c t i o n g o o di n t e r a c t i o na n di n t e r a c t i o ne f f e c t s ，c a ne f f e c t i v e l ye x e r c i s et h ew a ys u r g e o n so p e r a t ea n di m p r o v et h ed i a g n o s t i ca n a l y s i s i nt h i sp a p e r , 5 d td a t a - g l o v e5i st h ep e r i p h e r a li n t e r a c t i v ee q u i p m e n t ，e s t a b l i s h i n gg e s t u r e b a s e dc o n t r o lo ft h ea c t i o nm a p p i n gm e t h o d t h ea n a l o gs l e e v e ( e n d o s c o p i c ，s u r g i c a lk n 舱) a l o n gt h ef i x e dp o i n tp o s i t i o nt oa c h i e v ef o u rd e g r e e so ff r e e d o m 、7 | v h e ns i m u l a t i o no p e r a t i o nb e g a n , t h ef l e eb o d i e sb e g i nt om o v ei nt h ej o i n tc a v i t yu n d e ro u t s i d ei n t e r f e r e n c e i no r d e rt os h o wt h em o v e m e n to fl o o s eb o d i e si nr e a l t i m e ，av a r i e t yo fc o l l i s i o nt h e o r i e sh a v eb e e nd o n e ，w h i c hg i v et h ep r o c e s so fc o l l i s i o nd e t e c t i o nm e t h o d sa n di m p a c tt r e a t m e n t w i t h i nt h ej o i n tc a v i t y , t h i sp a p e ra n a l y s i st h ep h y s i c a le n v i r o n m e n t ，t os t u d yt h es i t u a t i o no ff r e eb o d yf o r c ea n dt h e nt oe s t a b l i s hd e r i v e dd i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fm o t i o no ff r e eb o d y i no r d e rt os i m u l a t er e a l - t i m eu p d a t ep r o c e s so ff r e eb o d ym o v e m e n ts t a t e ，g i v e nn u m e r i c a ls o l u t i o no fd i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fm o t i o ni nt w om e t h o d s ：t h em i d p o i n tm e t h o da n dt h em o d i f i e de u l e rm e t h o d ，a n da n a l y z e st h ea p p l i c a t i o no f t w om e t h o d s t a k ei n t oa c c o u n tt h ep r e s e n c eo fm u l t i p l el o o s eb o d i e s ，t h et n广东工业大学硕士学位论文m o v e m e n to fm u l t i p l el o o s eb o d i e si n t e r v e n t i o na p p r o a c hi sg i v e n t oa c h i e v et r a n s p a r e n ts k i na n dte n d o s c o p es i m u l a t i o n , o p e n g lf r a g m e n t st e s t e dp r i n c i p l e sa n dm e c h a n i s m sa r er e s e a r c h e d f i n a l l y , am u l t i d o c u m e n tm f cp r o g r a mw i t l lm u l t i w i n d o wi ss e t u pw i t h i nv c + + 2 0 0 5e n v i r o n m e n t i nt h ea n a l y s i so fc o n f i g u r i n go p e n g lp l a t f o r mo nw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m ，o p e n g ll i b r a r yf u n c t i o n sa r ec o n f i g u r e da n dt h ed o c u m e n t s ( 1 i b s ) a r ea d d e dt op r o j e c t u s i n gt h ew i n d o ws e g m e n t a t i o n ，d e s i g np r o c e s ss i m u l a t i o ns y s t e mi n t e r f a c e ：n a v i g a t i o na r e a s ，i n f o r m a t i o na r e a s ，e n d o s c o p i co b s e r v a t i o na r e aa n dt h es c e n ea r e a s e tt h el o o s eb o d i e sg r i p i n gr u l e s ，w h e nt h ec o l l i s i o nr u l e st h a ts a t i s f yt h ef o l d e rt a k eo u tl o o s eb o d i e s i m p l e m e n t eo np cs i m u l a t i o ns y s t e mc a na c h i e v eas o u n dr e s u l t , t om e e tc e r t a i no p e r a t i o n a lt r a i n i n gn e e d s k e y w o r d s ：l o o s eb o d y , r e a l - t i m es i m u l a t i o n , l a p a r o s c o p i cs u r g e r y , v i r t u a ls u r g e r y , i n t e r a c t i v em a n i p u l a t i o ni v目录摘要目录iia b s t r a c t目录c o n t e n t s 第一章绪论v1 1 选题背景和意义11 2 关节镜手术介绍31 3 国内外研究现状51 4 本文主要研究内容81 5 课题来源91 6 章节安排。9第二章模拟平台的构建。1 l2 1 几何模型的建立1 12 1 1 模型分析1 12 1 2 建模及材质132 2 底层图形环境构建1 42 2 1 图形a p i 接口环境设置152 2 2 处理流程和绘制方式182 2 3 库函数配置和运行方式的选择2 12 3 几何模型的读取和绘制2 22 3 1 模型文件结构分析2 22 3 2 读取模型2 42 3 3 绘制模型2 72 4 细节场景2 92 4 1 内窥镜镜头模拟3 02 4 2 透明皮肤3 52 5 本章小结3 6v广东工业大学硕士学位论文第三章游离体碰撞分析及其力学模型。3 1 相关假设3 73 2 碰撞检测及其算法实现3 73 2 1 游离体与手术器械的碰撞。3 83 2 2 游离体与组织面的碰撞4 23 3 游离体受力和碰撞反应4 63 3 1 操纵力计算4 73 3 2 动阻力和浮力4 93 3 3 与组织面的碰撞反应5 03 4 多重游离体碰撞处理5 13 5 本章小结5 2第四章游离体运动行为建模4 1 碰撞运动分析5 34 1 1 游离间碰撞线性运动分析5 34 1 2 游离体与组织面带旋转运动分析5 54 2 动力学方程的建立及模拟分析5 74 3 动力学微分方程的建立及数值求解5 84 3 1 改进的欧拉法5 84 3 2 中点积分法6 04 4 运动状态的实现6 04 4 1 平移运动。6 l4 4 2 旋转运动6 24 ，4 3 矩阵栈操作“4 5 本章小结6 4第五章模拟系统实现。6 75 1 系统结构6 75 1 1 系统框架6 75 1 2 界面设计7 05 1 3 模拟流程7 25 1 4 计算过程7 3目录5 2 交互操作控制7 45 2 15 d td a t a - g l o v e5 的连接及校准7 55 2 2 数据获取和动作映射7 65 2 3 操作对象的运动姿态控制7 75 3 检查方法及夹取规则7 85 4 模拟手术操作训练7 95 4 本章小结8 0总结与展望全文总结8 3展望与设想8 4参考文献。作者在攻读硕士学位期间发表的论文独创性声明致谢18 7c o n t e n t sc o n t e n t sa b s t r a c t i 】ic o n t e n t s i xc h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 。”1 一1 1b a c k g r o u n d 11 2i n t r o d u c t i o nt oa r t h r o s c o p i cs u r g e r y 31 3r e l a t e dr e s e a r c h 51 4r e s e a r c hi s s u e s 。81 5p r o j e c ts u p p o r t ”91 6t h e s i so r g a n i z a t i o n 9c h a p t e r2s i m u l a t i o np l a t f o r ms e t u p 2 1g e o m e t r i cm o d e l 1 12 1 1a n a l y s i sm o d e l 112 1 2m o d e l i n ga n dm a t e r i a l 132 2c o n s t r u c t i o no fg r a p h i c a le n v i r o n m e n t 1 42 2 1s e tg r a p h i c sa p i 152 2 2p r o c e s s i n ga n dm a p p i n gm e t h o d s “182 2 3c o n f i g u r a t i o nl i b r a r ya n dr u nm a l l n e r ”2 12 3r e a da n dd r a wg e o m e t r i cm o d e l 2 22 3 1a n a l y s i sm o d e lf i l e 2 22 3 2i k a dm o d e l 2 42 3 3d r a w i n gm o d e l 2 72 4d e t a i l so f t h es c e n e 2 92 4 1a n a l o gc a m e r a s 3 02 4 2t r a n s p a r e n ts k i n 。3 52 5s u m m a r y 3 6c h a p t e r3c o l l i s i o na n a l y s i sa n dm e c h a n i c a lm o d e l 3 73 1u n d e r l y i n ga s s u m p t i o n s 3 73 2c o l l i s i o nd e t e c t i o na l g o r i t h m 3 7i x广东工业大学硕士学位论文3 2 1f r e eb o d yc o l l i s i o nw i t hs u r g i c a li n s t r u m e n t s 。3 83 2 2l o o s eb o d i e sa n do r g a n i z a t i o no f t h ec o l l i s i o n 4 23 3f o r c ea n dc o l l i s i o nr e s p o n s e 4 63 3 1c o n t r o lf o r c e 4 73 3 2d y n a m i cr e s i s t a n c ea n db u o y a n c y 4 93 3 3c o l l i s i o nr e s p o n s ew i t ho r g a n i z a t i o n s 5 03 4t r e a t m e n to f m u l t i p l ef r e e - b o d yc o l l i s i o n 5 23 5s u m m a r y 5 3c h a p t e r4f r e eb o d ym o v e m e n tb e h a v i o rm o d e l i n g4 1c o l l i s i o na n a l y s i s 。5 44 1 1l i n e a rm o t i o na n a l y s i s 5 44 1 2r o t a t i o n 5 64 2k i n e t i ce q u a t i o n 5 84 3d y n a m i cd i f f e r e n t i a le q u a t i o n sa n dn u m e r i c a ls o l u t i o n 5 94 3 1i m p r o v e de u l e rm e t h o d 5 94 3 2m i d p o i n ti n t e g r a t i o nm e t h o d 6 14 4i m p l e m e n t a t i o no fm o t i o n 6 24 4 1t r a n s l a t i o n a lm o t i o n 6 24 4 2r o t a t i o n 6 44 4 3m a t r i xs t a c ko p e r a t i o n s 6 54 5s u m m a r y 。i 一6 6c h a p t e r5s i m u l a t i o ns y s t e m 。”6 75 1s y s t e ms t r u c t u r e 6 75 1 1s y s t e mc o m p o n e n t s 6 75 1 2i n t e r f a c ed e s i g n 。7 05 1 3s i m u l a t i o np r o c e s s ：7 25 1 4c a l c u l a t i o n 。7 35 2i n t e r a c t i o nc o n t r o l 7 45 2 15 d td a t a - g l o v e5c o n n e c t i o na n dc a l i b r a t i o n 。7 55 2 2d a t aa c q u i s i t i o na n dm o t i o nm a p p i n g 7 6xc o n t e n t s5 2 3a t t i t u d ec o n t r o lo f t h eo b j e c t 7 75 3i n s p e c t i o nm e t h o d sa n df o l d e ra c c e s sr u l e s 7 85 4o p e r a t i o nt r a i n i n g 7 95 4s u m m a r y 8 0c o n c l u s i o na n df u t u r er e s e r c h8 3s u m m a r y 8 3v i s i o na n di d e a s 8 4r e f e r e n c e sp u b f i c a t i o n s d e c l a r a t i o na c k n o w l e d g e m e n t s 8 79 l9 2l广东工业大学硕士学位论文x 第一章绪论1 1 选题背景和意义第一章绪论现代科学技术的发展越来越体现多种学科的渗透和交叉。虚拟现实是运用计算机对现实世界进行全面仿真的技术，它已被广泛地应用于许多领域，而虚拟现实技术和现代医学技术的融合使其对对生物医学领域产生了巨大的影响。虚拟手术( v m u a ls u r g e r y - v s ) 作为正在迅速发展起来的研究方向，是利用各种医学影像数据，利用虚拟现实技术在计算机中建立一个模拟环境，医生借助虚拟环境中的信息进行手术计划、训练，以及实际手术过程中引导手术的新兴学科，是集医学、计算机视觉、数学分析、生物力学、材料学、机械学、计算机图形学、机械力学、材料学、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域1 1 i 。医学模拟技术逐渐衍化为由低到高的如下五种类型：基础解剖模型( b a s i ca n a t o m i cm o d e l ) ；局部功能性训练模( p t t ，p a r t i a lt a s kt r a i n e r ) ；计算机辅助模型( c b t ，c o m p u t e rba s e dt r a i n e r ) ；虚拟培训系统( v r t s ，v i r t u a lr e a l i t yt r a i n i n gs y s t e m ) ，生理驱动型模拟系统( pds ，p h y s i o l o g yd r i v e ns i m u l a t o r ) 或全方位模拟系统( f e s ，f u l le n v i r o n m e n ts i m u l a t o r ) t 2 1 。其目的是：使用计算机技术( 主要是计算机图形学与虚拟现实) 来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，在时间段上包括了术前、术中、术后，在实现的目的上有手术计划制定，手术排练演习，手术教学，手术技能训练，术中引导手术、术后康复等。虚拟手术这个研究方向目前正在快速发展之中，与之相关的一些研究方向主要有：医学可视化( m e d i c a lv i s u a l i z a t i o n ) ，手术模拟( s u r g e r ys i m u l a t i o n ) ，图象引导手术( i m a g eg u i d e ds u r g e r y ) ，医学增强现实( m e d i c a la u g m e n t e dr e a l i t y ) ，医用机器人，计算机辅助手术( c o m p u t e ra i d e ds u r g e r y ，c o m p u t e ra s s i s t e ds u r g e r y ) 等。使用虚拟手术( v i r t u a ls u r g e r y ) 这个名词更加能够充分体现虚拟现实( v m u a lr e a l i t y ) 作为计算机图形学在医学治疗过程中的作用，充分体现了人机交互和真实感。国外也有称此方向为虚拟手术室( v i r t u a lo p e r a t i n gr o o m ) 或医学虚拟现实( m e d i c a lv i r t u a lr e a l i t y )【3 】o虚拟膝关节镜手术是利用各种医学影像数据，利用虚拟现实技术在计算机中建立1广东工业大学硕士学位论文一个模拟环境，医生借助虚拟环境中的信息进行手术计划、训练，以及实际手术过程中引导手术的新兴训练平台。虚拟膝关节镜手术培训系统具有重要的意义：1 辅助病情判断：可以在虚拟人体膝关节模型上开展各种无法在真人身上进行的诊断与治疗研究，使诊断和治疗个性化，最终能够预测人体对新的治疗方法的响应。能变定性为定量，使医院诊断治疗达到直观化、可视化、精确化的效果。例如传统医学诊断主要靠医生的学识和经验，但医生也有”吃不准”的时候，这就会导致误诊。虚拟手术系统将所有人体信息收集储存在电脑里，诊断前医生先将手术或药物影响数据输入电脑，系统协助医生作出判断。2 协助建立手术方案【4 】：能够利用图像技术，帮助医生合理、定量的定制手术方案，能够辅助选择最佳手术途径、减少手术损伤、减少对组织损害、提高病灶定位精度，以便执行复杂外科手术和提高手术成功率等。可以预演手术的整个过程以便事先发现手术中可能出现的问题，使医生能够依靠术前获得的医学影像信息，建立三维模型，在计算机建立的虚拟环境中设计手术过程、切口部位、角度，提高手术的成功率。3 术中导航与术中监护：无须在介入环境下，将计算机处理的三维模型与实际手术进行定位匹配，使得医生看到的图象既有实际图象，又叠加了图形。内窥镜将实时观测的图象与术前c t 或m r i 进行匹配定位融合，对齐两个坐标系并显示为图形，引导医生进行手术。4 手术训练教学：临床上，8 0 的手术失误是人为因素引起的，所以手术训练极其重要。医生可在虚拟手术系统上观察专家手术过程，也可重复练习。虚拟手术使得手术培训的时间大为缩短，同时减少了对昂贵的实验对象的需求。由于虚拟膝关节镜手术系统可为操作者提供一个极具真实感和沉浸感的训练环境【5 1 ，力反馈绘制算法能够制造很好的临场感，所以训练过程与真实情况几乎一致，尤其是能够获得在实际手术中的手感 6 - 7 1 。计算机还能够给出一次手术练习的评价。在虚拟环境中进行手术，不会发生严重的意外，能够提高医生的协作能力。5 保护医生和降低培训费用【蝴：虚拟膝关节镜手术系统既可用于教学，也可让一般大夫进行模拟手术练习。以三维空间和实时交互为特征的虚拟膝关节镜手术能够多方位的动态地展示手术过程和人2第一章绪论体组织变化，为医护人员提供一个身临其境的生动、直观的可视化教育和培训。可在虚拟手术中反复训练高难度的操作方法，直至达到完美无缺为止。对提高医务人员的业务水平、缩短获取相关知识的时间和成本有重要意义。膝关节游离体是多发病和常见病，而直接切开关节囊的开放性手术具有创口大、易感染、恢复慢、痛苦大等缺点。膝关节游离体常见于关节创伤，骨关节炎、分离性骨软骨炎、滑膜软骨瘤病等。关节内游离体从结构上可分为纤维性、骨软骨性、软骨性、骨性、晶体性游离体及外源性关节内异物，其主要为关节内骨、软骨及增生滑膜脱落形成，较多见的是以骨性结构为核心，外周被覆软骨，或完全由软骨构成的形态圆钝、表面光滑的游离体【l o l 。游离体越小，越易在关节内移窜，引起关节交锁及疼痛，且交锁位置不定【1 1 i 。游离体摘除不但能解除患者的长期痛苦，又能恢复关节功能和生活劳动能力【1 2 】。膝关节镜手术方式技术难度较大：首先，实施方法对医生的手眼协调能力要求很高；其次需要医生对镜下组织器官的解剖结构非常熟悉。因此，医生必须经过大量的训练才能熟练掌握这类手术【1 3 1 。另一方面，内窥镜手术过程往往比较复杂，如果能在手术前对手术过程进行计划和预演，手术的成功率将会大大提高。传统的教授方法是让被训练者观察有经验的外科医生的操作，以熟悉整个手术过程，或用其他塑料仿制品代替。由于不能亲历亲为，使受训者无法感受到手术器械与组织之间正确的力的交互，这样使正式手术十分危险。采用虚拟仿真技术建立手术仿真系统，可以很好地解决这一矛盾。它可以降低用于购买训练的尸体或动物的费用，增加受训者的实践次数，提高其技能水平。因而迫切需要开发虚拟内窥镜手术仿真系统来满足手术训练的需求。1 2 关节镜手术介绍关节镜是一种观察关节内部结构的直径5 m m 左右的棒状光学器械【1 4 l ，是用于诊治关节疾患的内窥镜。该器械从19 7 0 年开始推广应用。关节镜在一根细管的端部装有一个透镜，将细管插入关节内部，关节内部的结构便会在监视器上显示出来身体。因此，可以直接观察到关节内部的结构和病变情况。关节镜手术是一种微创手术，开始主要应用于膝关节，后相继应用于髋关节、肩关节、踝关节、肘关节及手指等小关节等。关节镜可以看到关节内几乎所有安排的部位，比切开关节看的更全面，结果由于图像经过放大，因而看的更准确，而且切口很小，创伤小，疤痕少，中药康复快，并发症少【1 5 1 。有些情况正常下麻醉过后，即可下地活动，对患者增强战胜疾病的信心大3广东工业大学硕士学位论文有好处。对关节疑难病症的确诊，对困扰患者多年的关节伤痛的治疗，关节镜手术往往能取得立竿见影的效果讲述。1 适用范围：( 1 ) 用于直接诊断：非感染性关节炎的鉴别【1 6 - 1 7 1 。从观察到的关节滑膜的充血和水肿、软骨损伤的程度以及关节内有无晶体物等病理改变，可协助区别类风湿性关节炎、骨关节病及晶体性关节炎。了解膝关节半月板损伤的部位、程度和形态【1 8 】。膝关节交叉韧带及胭肌腱止点损伤情况去年。了解关节内软骨损害情况出诊，有无关节内游离体等，以确诊骨关节病，尤其髌骨软骨软化症。分析求治慢性只能滑膜炎的不适病因，例如色素沉着绒毛结节性滑膜炎。膝关节滑膜皱襞综合征及脂肪垫病变的诊断德技。肩袖破裂的部位、程度及肱二头肌腱粘连加重情况。关节滑膜活检。( 2 ) 用于研究关节内病变的变化1 1 9 - 2 0 ：在关节疾病发展傲慢过程中，可多次永远进行关节镜检查暂时，通过拍照、录像或滑膜活检，可取得刚刚其他见到诊断法所难以得到的资料，对诊断挂到、满意治疗和预后判断均有极大中药帮助。( 3 ) 用于治疗：对膝、肩关节的一些病变，在明确诊断后，可在镜视下用特殊器械进行手术，而取得满意效果。例如关节灌洗清创术、膝关节撕裂半月板部份或全部切除术、半月板边缘斯裂缝合术、前交叉韧带修复术、滑膜皱襞切除术、关节内粘连松解术、胫骨平台或髁间嵴骨折修整术、肩袖清创木、肱二头肌腱粘连松解术及关节内游离体摘除术等【2 l 】。此外，四肢大关节的类风湿性关节炎可行滑膜大部切除术。2 手术方法：动手术时，首先进行麻醉，再在膝盖部位开两个切口。然后，从其中的一个切口将关节镜插入，观察关节的内部。再从另外一个切口插入手术器械，用手术器械进行内部的手术。3 优点：通过关节镜下清理手术，将散乱松散的软骨和快要剥离的软骨切除；将凹凸部分进行刮削，使其平整；将破碎、散乱的半月板及骨刺切除。将关节游离体咬碎取出，将发炎的滑膜组织切除取出。该方法的特点是：无需通常手术那样对患部作大面积的切开；关节镜的插入口和手术器械的插入口只有5 m m ，手术的负担小。所以，为动手术而住院的患者，通常一周左右的时间即可出院【2 2 l 。4 禁忌证：4第一章绪论仅有的一个绝对禁忌证是关节僵直，因为它妨碍关节镜的操作。对近期内作过关节造影者，尽管由于有继发化学性滑膜炎的可能态度，如在造影后l 周内行关节用检查勇气可得出假阳性结果。有出血性疾病患者术中出血虽可用大量生理盐水冲洗，从而获得良好视野进行诊断，但术后医院可发生大量关节积血。以上两点，在选择关节镜检查时就应特别注意。5 错误率【1 9 】：2 左右。在关节镜直视下对局部解剖及大体病理变化的认识不足是误诊的主要原因。漏诊则常因关节镜有一定盲区，无法全面观察所致。关节镜游离体摘除手术是膝关节镜手术中一种常见的手术，关节镜技术使检查和治疗有机地融合为一体，对于x 线片不显示的游离体，甚至c i 或m 砌难以确认的游离体，皆可准确诊断并予摘除圆。本文将针对游离体的生理特点和关节镜手术的特点建立一个可以在p c 机上操作的仿真平台，来模拟真实的游离体摘除手术。；1 3 国内外研究现状在临床手术中，手术方案能够利用图像数据，帮助医生合理、定量地制定手术方案，对于选择最佳手术路径、减小手术损伤、减少对临近组织损害、提高定位精度、执行复杂外科手术和提高手术成功率等具有十分重要的意义。虚拟手术系统可以预演手术的整个过程以便事先发现手术中问题。虚拟手术系统能够使得医生能够依靠术前获得的医学影像信息，建立三维模型，在计算机建立的虚拟的环境中设计手术过程，进刀的部位，角度，提高手术的成功率，基于虚拟现实技术快速发展和关节镜手术培训的需求，国内外已经开展了许多虚拟关节镜仿真手术方面的研究和开发工作。虚拟手术内窥镜手术作为正在发展起来的研究方向，是诸多学科为一体的新型交叉研究领域。其目的是：使用计算机技术( 主要是计算机图形学与虚拟现实) 来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，在实现技术的层次上涉及很多具体的细节，国内外已有很多相关研究，主要涉及：碰撞检测、动态流血、实时绘制、i 临床应用、力反馈、组织分割、路径规划、医学图像可视化、交互操作控制、几何计算、立体显示、动态数据精简、体绘制、细节层次模型、导航技术、面绘制、分块绘制、快速渲染、器械模拟、虚拟力计算、纹理技术等【7 1 。意大利g m v 公司开发的l a p a r o s c o p y v r 虚拟现实系统【4 8 】，利用最新技术提供了可交互模型、力觉反馈以及良好的跟踪和评估方法来提高腹腔镜培训的效率；其开发5广东工业大学硕士学位论文的e n d o s c o p ya c c u t o u c hs y s t e m 价格较低，在同一系统平台上可进行多重手术训练：纤维支气管镜、上消化道内镜、下消化道内镜。系统组成为：计算机、灵活的套管接口、真实内窥镜、软件模块，它提供了基于物理的手术仿真来仿效真实的物理感受，准确地反应虚拟病人在生理上的反应，实时图形和音频响应及触觉反馈，系统模型与实际患者数据融合提供真实的临床视景，并支持独立学习功能【4 9 】，如图l 一2 所示。图1 1 虚拟腹腔检查系统图1 - 2 内镜检查系统f i 9 1 1t h el a p a r o s c o p yv rs y s t e mf i g l - 2e n d o s c o p ya c c ut o u c hs y s t e ms a r a hg i b s o n 等人以核磁共振图像为模型信息，开发了基于体绘制和力反馈的膝关节手术仿真系统【5 0 】，图1 3 所示。此系统的开发团队有一个工业化实验室、两所大学和一家医院；p h e n g a n nh e n g 等人基于可视化人开发的膝关节手术训练系统 5 q ，采用有限元方法实现软组织的交互变形，其开发的力反馈装置能够提供实时触觉力反馈，而且开发了可定制的，如图l - 4 所示。图1 3 力反馈设备f i g l - 3o u t l o o ko ft h eb a r ed e v i c e一图1 - 4 虚拟内窥镜的不同场景f i g l - 4d i f f e r e n ti n t e r n a lv i e w so ft h ev i r t u a le n d o s c o p e北京黎明视景公司与中国人民解放军总医院合作，依托国家自然科学基金项目开发的虚拟膝关节镜手术仿真训练系统【5 2 】，使学习者通过视觉、听觉和触觉感知来学习膝关节镜手术的各种基本技能，如三点成像定位、手眼协调、关节浏览和探查等；还可6第一章绪论以学习膝关节镜手术的实际操作方法，如关节清理、半月板缝合、a c l 重建、游离体摘除等。系统以医学影像数据为基础，并在专业人员的指导下采用交互式建模工具构建虚拟的人体膝关节部位各种器官模型，保证解剖结构的正确。系统对各种膝关节镜手术的操作方法也以标准定制，保证操作流程的规范性。与传统的手术训练方式相比，优势显而易见。北京黎明视景公司推出的虚拟医学仿真系统解决方案提供无法比拟的交互速度和三维医学可视化性能。系统能够接受来自c t ，m r t ，超声波扫描仪，共焦或广焦显微镜以及其他类似仪器中获得的3 d 数据，通过医学三维重构，建立高度仿真的虚拟三维医学模型，并在此基础上提供合适的交互手段进行手术过程的仿真模拟和训练。使训练者从外部观察到人体内部状况，准确地确定病变体的空间位置、大小、几何形状以及它与周围生物组织之间的空间关系，从而及时高效地诊断疾病。为医学研究和教学的发展发挥巨大的作用。国防科技大学计算机学院开发的虚拟膝关节镜手术系统【5 3 1 采用了美国s e n s a b l e 公司的p h a n t o m 力反馈设备，其软件系统为：w i n d o w s x p 操作系统g h o s ts