[发明专利]钻孔手术的模拟方法及装置

说明书

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dF_n＝(K_n1t₁+K_n2t₂)dω和dF_f＝(K_f1t₁+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，dF_f为骨表面的摩擦力的微分，K_n1和K_n2分别为骨密质和骨松质上的法向切割能量系数，K_f1和K_f2分别为骨密质和骨松质上的切向切割能量系数，量纲为MP_a(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dF_n＝(K_n1t₁+K_n2t₂)dω和dF_f＝(K_f1t₁+K_f2t₂)dω对所述钻头的力进行模拟，其中，dF_n为垂直于骨表面的法向力的微分，dF_f为骨表面的摩擦力的微分，K_n1和K_n2分别为骨密质和骨松质上的法向切割能量系数，K_f1和K_f2分别为骨密质和骨松质上的切向切割能量系数，量纲为MP_a(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