面向機器人輔助外科手術的人體腿部建模與仿真技術研究.pdf

1、近年來，以計算機輔助醫(yī)療外科技術為主要研究內容的虛擬手術(VirtualSurgery)受到越來越多的學者和研究機構的關注，并在臨床上得到了廣泛的應用。課題結合國家863計劃項目“遠程醫(yī)療機器人關鍵技術與系統(tǒng)研發(fā)”和國家自然科學基金項目“機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中人體腿部的生物力學特性，從而為外科手術培訓和手術預演的研究提供重要手段，以改進操作者的學習曲線，提高手術的成

2、功率。
　　在介紹脛腓骨骨折復位牽引手術的機理和流程的基礎上，對手術過程中涉及的腿部各組織進行分析。由解剖結構以及生物力學特性，確定在對抗牽引中起關鍵作用的骨骼和肌肉。為形態(tài)學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形態(tài)，對預處理后的CT圖像進行分割和填充，并采用精確度高、運算量小的MarchingCubes三維重建算法實現(xiàn)腿部骨骼及皮膚組織的形態(tài)學三維重建。同時，為了適應有限元分析，在

3、保證人體解剖學結構質量的同時，采用漸進網(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)關鍵組織的三維重建結果，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特性，又體現(xiàn)肌纖維的微觀解剖結構的基礎上，提出一種新型的肌肉建模方法。最后，通過尸體標本實驗獲得的力位數(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模型的