颅颌面手术虚拟建模及力触觉反馈研究

颅颌面畸形复杂多样，其术前设计、手术操作及术后预测较为困难，虚拟现实技术的发展为该问题的解决提供了一种理想的方法。利用立体摄影与CT重建三维模型，通过图像融合技术构建基于虚拟现实技术的颅颌面三维形貌模型，结合颅颌面组织的生物力学特性，实现不同组织的复合建模，应用边界元方法构建颅颌面图形及力触觉反馈模型，进行形貌模型虚拟显示、正颌手术虚拟操作及术后面形预测的研究。探索基于虚拟现实技术的形貌模型建模方法、图像及力触觉反馈算法的实现及虚拟环境下的手术模拟。以期获得具有自主知识产权的颅颌面三维形貌建模及手术虚拟与操作系统，以利于颅颌面畸形的诊断、手术设计及术后预测，同时有助于手术教学及操作训练，并为将来的产业化奠定基础。

按照课题申请任务书的预定计划，本课题研究小组进行了一系列的研究，并顺利完成了该课题的研究任务。整个课题进展顺利，取得了丰富的研究成果，也为课题的后续研究奠定了基础。现将本课题的研究总结汇报如下：.一.实现了颅颌面软硬组织三维形貌模型的构建及虚拟显示.利用CT扫描数据进行颅颌面三维重建，同时利用3DMD进行患者颌面部立体摄影。开发图像融合软件，基于VRML数据格式，利用表面轮廓法行立体纹理映射，将CT三维重建软组织图像与立体摄影图像融合，构建了颅颌面软硬组织三维形貌模型,并在虚拟环境下显示。.二. 颅颌面组织生物物理参数获取及物理数据模型构建.在新鲜尸体上下颌骨上进行了锯切、钻切力的测量。通过Kistle力传感器进行数据采集，测量切割力及钻切力的大小。利用Nano-Hardness Tester, Berkovich压针，进行颌骨弹性模量的测量。对于上述生物物理参数进行了统计学分析，并将弹性模量与CT灰度值间进行了相关分析，发现无显著相关性。将上述生物力学参数，如颌骨弹性模量、切削力大小、组织粘弹性等通过边界元的方法构建力反馈的生物力学模型。.三.力触觉反馈的实现及正颌手术的模拟.利用颌骨弹性模量、阻尼系数等生物力学参数，构建了基于颌骨生物力特征的力反馈物理模型。并利用“AABB包围盒”的方法，实现碰撞检测。开发了力触觉及图像反馈软件，实现了虚拟环境下上颌骨截骨，凿骨及钻切的手术操作。并实现了颌骨切割、钻切时实时图像及力触觉的反馈。利用立体眼镜、触觉反馈设备基本实现了正颌手术的虚拟操作，沉浸感强。.四.以Windows XP 为操作平台，利用面向对象的计算机语言VisualC++6.0，研发了基于虚拟现实技术的颅颌面三维形貌建模及手术模拟与预测系统。.课题研究期间，共发表中英文论文13篇，其中发表SCI论文8篇，中文核心论文5篇。参编专著2部。申请发明专利2项。新申请获得上海交通大学医工结合项目1项。培养博士研究生3名，硕士研究生1名。同时，项目主持人获得上海交通大学“SMC-晨星青年学者奖励计划”，医学院附属第九人民医院“优青”计划资助。获得上海市科技进步奖二等奖，华夏医学科技奖二等奖各1项。