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计算机模拟髋关节手术的研究

苏永松  
【摘要】:本文以国家自然科学基金项目“计算机模拟骨盆截骨术的研究”为背景,着重探讨了骨性模拟手术三维交互方法和髋关节模拟手术术式评估方法,对于骨性手术计算机模拟中的一些关键问题进行了较深入的研究,主要研究内容如下: 在三维重构方面,实现了离散 Marching Cubes 算法。此算法在保持模型拓扑结构不变的前提下简化了模型,使模型可以满足模拟手术过程中三维交互的实时性要求。通过实验结果与其它三维表面重构算法进行了比较,并对该算法进行了评价。 在三维交互方面,提出了一种基于骨性手术特征的术式导航方法。首先,为了准备术式导航,给出了手术刀的建模及骨骼的分组方法。然后,给出了术式导航所使用的模拟手术基本操作,包括平移和旋转,拾取和测量,以及切割和接合。并且通过实例说明了术式导航控制模块的设计方法。最后,设计了一个模拟手术交互-评估流程,帮助医生较快地完成手术模拟、比较各个手术方案和确定最优术式,以便获得满意的手术效果。 在手术模拟评估方面,提出了一种基于人体对称性的镜像变换评估方法,研究了镜像变换的原理,实现了基于镜像变换的髋关节模拟手术的规划和测量算法,包括手术刀和骨骼的手术规划,髋关节球面中心差值的测量,髋关节特征点差值的测量及髋关节 X 线像参数的测量。最后,通过实验从几何形体方面比较了不同术式的髋关节模拟手术效果。 本文第五部分首先讨论了骨性模拟手术系统模型输出的几种形式及其实现。模型输出可应用于生物力学分析、计算机辅助设计与制造人体假肢等领域中。然后,实现了初步的髋关节有限元分析,其中包括接触力和位移等力学特性的分析。有限元分析是研究髋关节模拟手术效果评估的一个重要方法。最后,对比健康侧和病变侧的力学特性的差异,揭示了髋关节的力学特性和病变的基本关系。


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