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基于虚拟现实技术的脊柱手术培训系统

       人体不正确坐姿和看姿易导致腰颈椎病、椎管狭窄症等多种脊柱疾病，症状严重患者需采取手术治疗。而脊柱手术操作难度大、空间局限性强、安全性要求高，且由于教学模式的限制，医生很难在较短的时间内熟练的掌握手术技能。因此，构建高沉浸感手术模拟训练系统是构建安全、保质、高效的骨科医生培养模式的有效途径之一。

        对脊柱手术模拟训练系统进行分析，确定了椎板磨削过程中力觉和视觉同步渲染的真实性是影响用户沉浸感的主要原因。通过分析椎板切除减压术手术流程和操作要求，采用VR交互设备和力反馈交互设备完成脊柱手术模拟训练系统的人机交互。将椎板切除减压术的主要操作步骤流程化，并设计椎板磨削专项训练模块针对椎板磨除过程进行力觉模拟。通过半解析法建立椎板骨组织磨削力的数学模型，采用基于God-Object的刚体力反馈计算方法实现不同骨层之间磨削力觉渲染，并针对不同骨层的刚性体素模型去除过程进行测试验证，进一步针对模拟过程中不同骨层之间的反馈力不稳定问题进行优化。

        基于光线投射算法对患者CT数据进行精准体素模型重建。通过对人体原始DICOM文件裁剪优化，提升系统渲染速度。搭建了基于精准力觉交互的脊柱手术模拟系统样机，可实现手术流程交互和磨削椎板力觉反馈练习并进行了系统测试，完成力觉与视觉的同步渲染。通过分析不同磨削方式的磨削力、速度和位置信息探讨力觉信号与其对应磨削过程的评价方式。