虚拟手术系统是一个融合计算机技术、计算机图形学、传感器技术、生物力学、现代医学、图像处理、计算机视觉、机器人学、科学计算可视化等学科的多学科交叉研究领域。虚拟手术系统的研究旨在为外科医生提供可以反复使用的训练和模拟工具，可应用于手术规划、手术演练和进一步的实际手术中，对先进手术方式的推广能起到很好的促进作用。《虚拟手术系列专著：虚拟骨科手术系统建模与仿真》以实现数字化机器人辅助正骨手术系统为目标详述了该虚拟手术系统机器人结构建模、运动学建模、手术环境建模、手术对象几何建模、手术对象生物力学建模、手术对象生物力学模型解算、碰撞检测、模型验证、虚拟手术力反馈设备设计、仿真系统集成、实时仿真方法等虚拟手术系统设计中涉及的各方面研究内容。

　　1.5  虚拟骨科手术系统建模与仿真的研究背景概述
　　据统计，目前全世界关节疾病患者有3．55亿人，欧洲骨移植手术每年高达4。8000例，美国每年达605000例，根据英国国民健康保险制度记录，英国在2002—2003年两年间就发生骨关节手术617000例，有超过77OO。例实施了髋骨修复手术。而在我国，据不完全统计，关节疾病患者有l亿以上，而且人数还在不断增加。正是这样一个惊人的数据，吸引了国内外越来越多的专家学者对关节疾患的关注。以往只能通过二维医学图像的测量，简化的数学模型计算，凭借经验和对患者病史的初步了解确定该不该手术和如何进行手术”。在这种情况下，医生很难在无创伤的前提下对患者的病情作出正确的诊断，延误治疗时机；同时骨科的各种手术如骨折内固定术、髋关节置换术，虽然为很多患者解除了病痛，但也面临手术很难一次性成功的尴尬，多次钻孔或多次翻修会给患者带来更多的痛苦，提高发生手术并发症的危险。因此，能在无创伤的前提下，做到对疾病正确诊断、正确规划、正确评价研究课题的出现具有一定的必然性。
　　随着数字化时代的到来，计算机软硬件的发展为正确的医疗诊断、优化治疗方案和医生培训带来了生机与希望，集医学、生物力学、机械学、材料学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的虚拟手术技术已经成为当前国际研究的一个热点和前沿研究领域。虚拟手术可以帮助医生进行外科诊断；能够利用图像数据，帮助医生合理、定量地制定手术方案，这对于选择最佳手术路径、减小手术损伤、减少对临近组织损害、提高肿瘤定位精度、执行复杂外科手术和提高手术成功率具有十分重要的意义；可以进行新医生的培训，其优点是可以从失败和错误中去学习，进行单独试验或与有经验的医生共同试验，实现从普通的病理学到极端情况的手术培训，在手术前验证医生的熟练程度，进行多次重复试验；可以帮助我们建造定制的修复拟合模型，帮助医生在进行髋关节更换手术前，通过非破坏性的模拟仿真对其尺寸和形状进行精确测量，然后定制髋骨，这样可以把因尺寸不合格而重新开刀的比例从30％降到5％以下；同时虚拟手术还可以使手术室中的外科医生能实吋地获得远程专家的交互式会诊或遥控机器人手术，这能使专家们技能的发挥不受空间距离的限制。
　　近年来，虚拟手术技术已经开始了一些临床应用并取得了一定的治疗效果。在人工关节外科，NorthWestern大学Hanr等开发了基于CT图像辅助骨科医生进行膝关节置换手术的计算机辅助系统，该系统分为两部分：第一部分读取CT数据，在图形工作站上进行图像分析，可对CT图像进行编辑操作。
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前言
第1章  虚拟骨科手术系统介绍
1.1  虚拟手术简介及其应用意义
1.2  虚拟手术系统的发展框架
1.3  虚拟手术系统构成
1.3.1  虚拟手术系统硬件组成
1.3.2  虚拟手术系统软件功能模块
1.4  虚拟手术建模与仿真技术研究现状
1.4.1  虚拟手术建模及仿真方法研究现状
1.4.2  虚拟手术建模与仿真技术存在的问题
1.5  虚拟骨科手术系统建模与仿真的研究背景概述
1.6  虚拟手术系统中的机器人建模
1.6.1  虚拟手术建模与仿真技术研究的硬件平台简介
1.6.2  正骨机器人的三维几何建模
1.6.3  正骨机器人的运动学建模
1.7  虚拟手术系统中的环境建模
1.7.1  构建虚拟环境的软件平台
1.7.2  虚拟环境的交互操作
1.7.3  机器人执行机构的轨迹显示
1.8  小结
参考文献
第2章  人体组织数字化医学影像信息获取
2.1  医学影像获取技术
2.1.1  X射线摄影
2.1.2  X射线计算机断层摄影（X-CT）
2.1.3  核医学成像
2.1.4  磁共振成像
2.1.5  超声成像
2.1.6  其他新型的医学成像技术
2.2  医学影像数据库
2.2.1  医学影像数据库的数据建模
2.2.2  医学影像数据库的管理方法
2.2.3  医学影像数据库国内研究现状
2.2.4  医学影像数据库国外研究现状
2.3  小结
参考文献
第3章  虚拟骨科手术系统人体组织解剖结构及生物力学特性分析
3.1  复位手术
3.1.1  牵引原理
3.1.2  牵引流程
3.2  腿部生物力学
3.3  腿部的解剖结构
3.3.1  腿部骨骼的解剖结构
3.3.2  腿部肌肉的解剖结构
3.4  小结
参考文献
第4章  基于医学影像信息虚拟骨科手术系统人体组织几何建模
4.1  几何建模的基本框架
4.2  算法描述
4.2.1  等值面抽取算法——Marching-Cubes算法
4.2.2  网格简化算法
4.2.3  体模型生成算法
4.3  虚拟骨科手术系统人体组织几何建模
4.3.1  图像预处理
4.3.2  重建结果及分析
4.3.3  模型简化结果
4.4  小结
参考文献
第5章  虚拟骨科手术系统人体组织生物力学建模
5.1  三维线弹性模型
5.1.1  无穷小应变的定义
5.1.2  无限小应力的定义
5.1.3  各向同性线弹性材料
5.1.4  横向各向异性线弹性材料
5.1.5  虚功原理
5.2  非线性弹性模型
5.2.1  线弹性模型的缺点
5.2.2  非线性弹性的引入
5.3  小结
参考文献
第6章  虚拟骨科手术系统人体组织模型计算
6.1  线弹性模型的有限元计算
6.1.1  线性四面体单元
6.1.2  面积矢量
6.1.3  各向同性线弹性材料刚度矩阵的计算
6.1.4  横向各向异性材料刚度矩阵的计算
6.2  非线性弹性模型有限元分析
6.3  材料变形的平衡等式
6.3.1  重力做功
6.3.2  外表面压力做功
6.3.3  质量矩阵
6.3.4  边界条件
6.3.5  平衡等式
6.4  准静态变形的有限元计算
6.5  动态变形的有限元计算
6.6  人体腿部有限元模型的建立
6.6.1  骨骼有限元模型
6.6.2  肌肉有限元模型
6.6.3  其他软组织有限元模型
6.7  有限元模型验证
6.7.1  边界和载荷条件
6.7.2  试验结果
6.7.3  试验结论
6.8  小结
参考文献
第7章  虚拟手术中的碰撞检测
7.1  包围盒层次结构
7.1.1  固定方向凸包的定义与计算
7.1.2  包围盒层次结构
7.2  基于包围盒树的碰撞检测算法
7.3  包围盒树的更新
7.3.1  对象运动后包围盒树的更新——近似法
7.3.2  对象变形后包围盒树的更新
7.4  小结
参考文献
第8章  虚拟骨科手术系统的交互式实时仿真
8.1  虚拟骨科手术系统的交互式仿真
8.1.1  主从双向力操作关键技术研究状况
8.1.2  力觉主手机构
8.1.3  力觉主手控制系统
8.1.4  系统控制算法设计及实现
8.1.5  基于WINDOWS的实时控制软件设计
8.2  虚拟骨科手术系统的实时仿真
8.2.1  基于神经网络的生物力学模型
8.2.2  系统集成
8.2.3  实时力反馈试验
8.2.4  试验结果分析
8.3  小结
参考文献
第9章  有限元方法在生物医学工程中的应用
9.1  有限元方法
9.1.1  有限元方法概述
9.1.2  有限元软件
9.2  有限元方法在生物医学工程中的应用
9.3  股骨颈骨折内固定方式有限元分析
9.3.1  骨折内固定模型的建立
9.3.2  有限元分析及结果优化
9.3.3  骨密度对股骨近段力学性能的影响
9.4  热力学基本知识
9.4.1  传热学理论
9.4.2  Pennes生物传热方程
9.4.3  热应力理论
9.5  基于三维温度场有限元分析股骨肿瘤热疗方案优化
9.5.1  骨骼三维重建
9.5.2  骨骼材料特性与CT值的关系
9.5.3  股骨有限元模型的建立
9.5.4  股骨三维温度场分析
9.6  髋关节假体置换模型的建立及其热应力有限元分析
9.6.1  髋关节置换模型的建立
9.6.2  ANSYS热应力分析
9.6.3  置换髋关节热应力分析
9.7  骨愈合过程有限元模拟
9.7.1  影响骨愈合过程的因素
9.7.2  骨愈合过程的模拟方法
9.8  小结
参考文献