基于医学图像的膝关节前交叉韧带重建手术的仿真

摘要

膝关节镜手术是目前重建前交叉韧带的有效方式之一，但是由于关节镜的一些限制，例如与传统手术不一样的观察方式，较高手眼协调能力等，导致该手术操作难度大，培训困难，医生需要经过长时间的培训才能熟练掌握手术的操作。虚拟手术为膝关节镜手术提供了一种新型的手术训练方式，它不仅可以提高培训的效率，还能降低相关的培训费用。如何构建逼真的虚拟手术环境以及手术过程的模拟是虚拟手术开发的关键，本文采用三维重建的方法构建膝关节的三维模型并利用虚拟现实软件对手术过程进行模拟。主要对以下方面进行了研究：
　　 (1)构建虚拟手术环境。由于膝关节是人体最大且最复杂的关节之一，为了获得逼真的膝关节三维模型，对膝关节的CT与MRI图像进行三维重建。根据CT图像层次分明的特点，采用阈值分割与区域生长对图像进行分割，提取股骨、胫骨以及髌骨等区域。由于MRI图像的各区域的区分不明显，但是半月板与前交叉韧带在图像序列中所占的张数较少，所以采用手动分割进行半月板与前交叉韧带的提取。将处理过后的图片导入Mimics软件中进行三维重建，获得了逼真股骨、胫骨、髌骨、半月板、前交叉韧带的三维模型。
　　 (2)研究VTK的开发流程，使用VTK开发包进行面绘制系统的初步开发，完成CT图像的读入，并根据设定的等值面值进行等值面的提取，实现了面绘制，为以后将三维重建与手术仿真相结合打下了基础。
　　 (3)为了提高手术操作的真实性，细致研究了前交叉韧带重建手术中的每个过程，利用Eon Studio软件进行仿真手术的开发，实现了虚拟监视器与虚拟内窥功能。并提出了基于碰撞法线的夹取动作的实现方法，根据碰撞法线的个数与夹角判断夹取的状态，使得手术的操作更加接近真实。
　　 (4)设计了手术仿真系统，并在MFC的单文档程序的基础上完成了系统界面的开发。为系统建立了与Eon应用程序间的消息传递，实现了模型列表中模型显示、隐藏以及透明度的调节。利用ADO技术连接Access数据库以及网页控件，实现了知识网页的显示与搜索，方便用户浏览和搜索与手术相关的知识。