虛擬膝關(guān)節(jié)鏡前交叉韌帶修復(fù)手術(shù)仿真

緒論

前言：

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是20世紀(jì)90年代以來興起的一門新技術(shù)，虛擬現(xiàn)實（Virtualreality,VR）概念由美國人加隆.蘭里爾(JaronLanier)在20世紀(jì)80年代初正式提出來的。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的一些基礎(chǔ)研究開始于60年代，后來隨著顯示技術(shù)、傳感技術(shù)、多媒體技術(shù)及視頻技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)開始活躍。近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的迅速發(fā)展為疾病的診斷、治療、康復(fù)以及醫(yī)學(xué)教育與培訓(xùn)提供了一種新的方法。

1.1虛擬醫(yī)學(xué)手術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展

在傳統(tǒng)手術(shù)中，醫(yī)生是在自己的大腦中進行術(shù)前手術(shù)模擬，以確定手術(shù)方案，這是順利進行手術(shù)所必須的準(zhǔn)備工作，然后根據(jù)其在大腦中形成的三維印象進行手術(shù)，但這種手術(shù)方案質(zhì)量的高低，往往依賴醫(yī)生個體經(jīng)驗與技能，且整個手術(shù)班子的每一位成員很難共享某一制定手術(shù)方案人員在其大腦中形成的整個手術(shù)方案的構(gòu)思信息。

使用計算機代替醫(yī)生思維進行手術(shù)方案的三維構(gòu)思比較客觀、定量，且其信息可供整個手術(shù)班子的每位成員共享。如果引入CT等三維圖像，就可對具體圖像與同行進行交流，在虛擬空間進行三維手術(shù)模擬，并制訂出較為完善的手術(shù)方案。如果所設(shè)想的空間與現(xiàn)實空間及位置能夠正確對應(yīng)，在手術(shù)中就可隨時以此為參考。

虛擬手術(shù)（Virtualsurgery）就是利用各種醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在計算機中建立一個模擬環(huán)境，幫助醫(yī)生進行手術(shù)計劃、訓(xùn)練以及世紀(jì)手術(shù)過程中引導(dǎo)手術(shù)。

虛擬手術(shù)的主要應(yīng)用有：(1)手術(shù)方案的制定。虛擬手術(shù)利用圖像數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)生合理制定手術(shù)方案，可以預(yù)演手術(shù)的整個過程以便事先發(fā)現(xiàn)手術(shù)中問題。能夠使得醫(yī)生能夠依靠術(shù)前獲得的醫(yī)學(xué)影像信息，建立三維模型，在計算機建立的虛擬的環(huán)境中設(shè)計手術(shù)過程，進刀的部位，角度，提高手術(shù)的成功率。例如，虛擬手術(shù)能夠設(shè)計植入人工假體，幫助醫(yī)生在進行髖骨更換手術(shù)前通過三維成象對其尺寸和形狀進行精確測量，然后定制髖骨，這樣可以把因尺寸不合格而重新開刀的比例大大降低。(2)手術(shù)培訓(xùn)。醫(yī)生可在虛擬手術(shù)系統(tǒng)上觀察專家手術(shù)過程，也可重復(fù)實習(xí)。虛擬手術(shù)使得手術(shù)培訓(xùn)的時間大為縮短，同時減少對昂貴的實驗對象的需求。在虛擬環(huán)境中進行手術(shù)，不會發(fā)生嚴(yán)重的意外，能夠提高醫(yī)生的協(xié)作能力。對醫(yī)務(wù)人員來說較危險的動作，如在感染或放射情況下，采用虛擬臨場技術(shù)可以使醫(yī)生免受射線的侵害。(3)遠程醫(yī)療。虛擬手術(shù)與遠程干預(yù)使得手術(shù)室中的外科醫(yī)生能實時地獲得遠程專家的交互式會診，交互工具可以使顧問醫(yī)生把靶點投影于患者身上來幫助指導(dǎo)主刀外科醫(yī)生的操作，甚或通過遙控幫助操縱儀器。這能使專家們技能的發(fā)揮不受空間距離的限制。(4)手術(shù)導(dǎo)航。用真實的三維圖像進行手術(shù)模擬的研究進展很快，將來，如果在模擬手術(shù)中加入變形力來模擬及感覺反饋的功能，將可成為醫(yī)學(xué)教學(xué)的工具。由于模擬環(huán)境是單獨構(gòu)成的，也就是說，虛擬空間與真實空間(手術(shù)對象臟器)的位置并不一致。為解決這一問題，可以制作出臟器模型與模擬的虛擬空間位置一致且可用三維指示器選擇模型的各個部位。如果手術(shù)室中患者的實際臟器與模擬的虛擬空間位置相對應(yīng)，這一系統(tǒng)就可代替臟器模型，用于手術(shù)指揮。當(dāng)用三維指示器選擇臟器的某一點時，立即就可顯示含選擇點在內(nèi)的斷層圖像，并在該圖像上標(biāo)記當(dāng)前所選擇的部位。它類似于衛(wèi)星地面定位系統(tǒng)，能夠?qū)崟r地顯示自己目前所在的地點在地圖上的位置。(5)虛擬醫(yī)院。如果在計算機的某一虛擬空間上集中有某一手術(shù)方案的信息，為數(shù)眾多的手術(shù)醫(yī)生就可以借助網(wǎng)絡(luò)共享其信息。為實現(xiàn)這一目的，首先要將從初診到治療這一階段患者的醫(yī)療數(shù)據(jù)匯總到電子化的數(shù)據(jù)庫中，并統(tǒng)一病例卡的書寫方法、圖像處理數(shù)據(jù)的格式、通信方法，醫(yī)院內(nèi)外均可共享的數(shù)據(jù)；其次，在虛擬的空間中設(shè)置圖像診斷支援系統(tǒng)及手術(shù)模擬系統(tǒng)等，眾多的醫(yī)生可通過網(wǎng)絡(luò)共同協(xié)調(diào)工作。這樣一種網(wǎng)絡(luò)上的虛擬醫(yī)院，可使整個虛擬醫(yī)院的成員共享診斷圖像及檢查數(shù)據(jù)，并通過圖像、聲音、文字等多媒體技術(shù)進行交流，共同籌劃手術(shù)方案及進行手術(shù)模擬，并可實時根據(jù)手術(shù)進展情況對手術(shù)醫(yī)生提供支援。

1.2國內(nèi)外發(fā)展情況現(xiàn)在世界各國都在致力于開發(fā)手術(shù)模擬系統(tǒng)，在這個方面日本歐美等國家的研究起步較早，目前在虛擬手術(shù)技術(shù)的各個方面也都處于領(lǐng)先狀態(tài)。隨著計算機圖形技術(shù)及虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，手術(shù)模擬系統(tǒng)的開發(fā)工作也取得了很大的進展。德國的卡爾斯魯厄研究中心(ForschungszentrumKarlsruhe)的UweG．KtihnapfelI4等人于1997年研制成功虛擬腹腔鏡手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)KadsmheEndoscopicSurgeryTrainer。他們開發(fā)了功能強大的3D模擬軟件KISMET作為訓(xùn)練系統(tǒng)的核心軟件，可完成實時的物理學(xué)模擬、運動學(xué)模擬以及快速的3D圖形渲染等功能。該訓(xùn)練系統(tǒng)采用彈簧振子(maSs—spring)模型模擬子宮等軟組織形變，通過添加父結(jié)點使物體兩側(cè)的結(jié)點產(chǎn)生聯(lián)系，使面模型形變表現(xiàn)出體行為，滿足了實時性和逼真性的要求；該研究中心于2002年又推出了系列系統(tǒng)VSOne。美國GEResearch&DevelopmentCenter開發(fā)了醫(yī)學(xué)虛擬內(nèi)窺鏡系統(tǒng)(virtualendoscopymedicalapplication：VEMA)。該系統(tǒng)采用先進的分割、重建、顯示和自動路徑規(guī)劃算法，使用器官的CT或MRI切片圖像，生成器官的3D內(nèi)表面模型，模擬視頻內(nèi)窺鏡的功能。VEMA支持多視圖技術(shù)，如細節(jié)放大、同步顯示器官內(nèi)外3D視圖、組合2D和3D表面視圖，在人體空腔管道中交互移動或自動航行，并且提供了交互式解剖結(jié)構(gòu)測量工具。VEMA可應(yīng)用于人體許多區(qū)域：虛擬結(jié)腸鏡、支氣管、血管鏡檢查等。其采用的目標(biāo)器官的CT和MRI圖像同周圍組織的對比度較好，主要用于醫(yī)療人員的培訓(xùn)和教學(xué)。相關(guān)的其他研究成果還有：虛擬結(jié)腸內(nèi)窺鏡虛擬耳窺鏡虛擬食管一支氣管內(nèi)窺鏡冠狀動脈虛擬內(nèi)窺鏡。Georgia理工學(xué)院圖形可視化及應(yīng)用中心，進行了手術(shù)模擬過程中的內(nèi)臟器官實時變形模擬相關(guān)的研究；JohnsHopkins大學(xué)計算機整合手術(shù)系統(tǒng)中心，進行了有關(guān)手術(shù)用CAD／CAM，以及CIS的相關(guān)研究；King'sCollegeLondon的計算機圖形科學(xué)工作組進行了遠程手術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)，以及相關(guān)方面的研究。而且目前有些公司已經(jīng)著手開發(fā)成型的手術(shù)模擬系統(tǒng)，比如OLYMPUS光學(xué)工業(yè)株式會社正在開發(fā)的集手術(shù)計劃、手術(shù)模擬、手術(shù)導(dǎo)航等功能于一身的成型設(shè)備，以及3DIncorporated開發(fā)的由CT畫像自動生成三維立體圖像的手術(shù)模擬系統(tǒng)。我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究尚處于起步階段，只有為數(shù)不多的機構(gòu)在進行如遠程醫(yī)療，器官3D顯示、計算機輔助手術(shù)等方面的初步技術(shù)研究。由于虛擬現(xiàn)實設(shè)備非常昂貴，近年來，國內(nèi)大多數(shù)研究被限制在介紹國外的進展或理論探討的范圍內(nèi)。目前與醫(yī)學(xué)相關(guān)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用主要包括；虛擬內(nèi)窺鏡檢查、放射治療模擬定位，虛擬手術(shù)等領(lǐng)域。2002年6月中國“虛擬人”計劃正式啟動，該項目由中國科學(xué)院、解放軍第一軍醫(yī)大學(xué)、首都醫(yī)科大學(xué)、華中科技大學(xué)4個單位承擔(dān)。2003年第一軍醫(yī)大學(xué)和第三軍醫(yī)大學(xué)完成了首個虛擬中國人(VisibleChineseHuman,VCH)的切片(厚度為0.1～0.2mm)和二維圖像數(shù)據(jù)收集工作。目前中國成為繼美國、韓國后第三個擁有本國虛擬人數(shù)據(jù)集的國家?？梢灶A(yù)言，“虛擬中國人”的誕生將會促進我國虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

1.3本文主要工作

本設(shè)計是膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)中前交叉韌帶修復(fù)手術(shù)的仿真，首先要了解和研究膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)中前交叉韌帶修復(fù)手術(shù)的手術(shù)步驟、所需工具和注意事項等；然后將預(yù)先建好的3dsmax手術(shù)模型導(dǎo)入到EON中，根據(jù)手術(shù)的真實步驟和操作進行手術(shù)的仿真。

2膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)中前交叉韌帶修復(fù)術(shù)簡介

2.1關(guān)節(jié)鏡手術(shù)介紹

關(guān)節(jié)鏡是一種觀察關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直徑5mm左右的棒狀光學(xué)器械，是用于診治關(guān)節(jié)疾患的內(nèi)窺鏡。該器械從1970年開始在我國推廣應(yīng)用。關(guān)節(jié)鏡在一根細管的端部裝有一個透鏡，將細管插入關(guān)節(jié)內(nèi)部，關(guān)節(jié)背部的結(jié)構(gòu)便會在監(jiān)視器上顯示出來，因此可以直接觀察到關(guān)節(jié)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和病變情況。

關(guān)節(jié)鏡手術(shù)是一種微創(chuàng)手術(shù)，開始主要應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)，后相繼應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)及手指等小關(guān)節(jié)等。關(guān)節(jié)鏡手術(shù)對關(guān)節(jié)病癥的診斷準(zhǔn)確，手術(shù)創(chuàng)口小，術(shù)后恢復(fù)快，并發(fā)癥少。

2.2前交叉韌帶修復(fù)手術(shù)介紹

2.2.1手術(shù)概況

膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶損傷是較為常見而又嚴(yán)重的運動性損傷，治療不當(dāng)將會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)功能性不穩(wěn)，并可引起一系列后遺病變而嚴(yán)重影響膝關(guān)節(jié)運動功能。目前，膝關(guān)節(jié)交叉韌帶斷裂的治療著重于重建韌帶的方法、鏡下微創(chuàng)手術(shù)、移植物的合理選用等。隨著膝關(guān)節(jié)鏡技術(shù)的不斷成熟與完善，國際上開展關(guān)節(jié)鏡技術(shù)較早的先進國家鏡下微創(chuàng)重建膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶手術(shù)已成為膝關(guān)節(jié)鏡外科中具有代表性的治療方法。

2.2.2手術(shù)適應(yīng)癥與禁忌癥

前交叉韌帶修復(fù)手術(shù)的適應(yīng)癥：急、慢性前交叉韌帶斷裂。

禁忌癥：局部或遠處有感染者。

2.2.3手術(shù)步驟1）術(shù)前準(zhǔn)備：麻醉、調(diào)整體位、合理使用止血帶。

2）關(guān)節(jié)鏡檢查：沿外側(cè)入口插入關(guān)節(jié)鏡，完成系統(tǒng)的關(guān)節(jié)鏡檢查。

3）切口與取腱：關(guān)節(jié)鏡探明斷裂肌腱，使用持物鉗取出斷裂肌腱。

4）制作骨道：使用定位器定位后，根據(jù)移植物物理形態(tài)制作脛骨側(cè)骨道和股骨側(cè)骨道。

5）引入半腱并固定：利用導(dǎo)針將半腱引進骨道后，用螺釘固定。

2.2.4術(shù)后處理與康復(fù)

術(shù)后麻醉期后即可鼓勵患者開始肌肉收縮練習(xí)，48-72小時內(nèi)拔引流管，3-5天后開始在0°-30°-60°的被動活動或用CPM進行膝關(guān)節(jié)功能康復(fù)。1周部分負重，2周全負重，3周可棄拐，3周可屈膝到90°，4周過90°，5-6周至120°，8周屈伸活動應(yīng)至正常，帶可調(diào)性膝關(guān)節(jié)支具保護3個月，3個月可騎車、游泳，半年后可參加一般性體育活動。

3系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1系統(tǒng)設(shè)計總構(gòu)架

本虛擬系統(tǒng)是對膝關(guān)節(jié)鏡中前交叉韌帶修復(fù)的仿真，總體設(shè)計分為兩部分，界面和功能。第一部分，界面設(shè)計。為了模擬關(guān)節(jié)鏡在膝關(guān)節(jié)里面觀察的情況，我設(shè)置了一個視窗，代表關(guān)節(jié)鏡鏡頭所能看到情況。為了模擬醫(yī)生操作的環(huán)境，我設(shè)置了一個能看到腿部外表和工具的視窗。另外為了進行操作，我設(shè)置了兩個視窗，方便進行手術(shù)操作。因此，我把整個操作界面按比例分為四部分。界面的左上角0.6*0.4的部分是顯示手術(shù)的名稱、步驟、適應(yīng)癥和操作提示。右上角的是0.4*0.4是整體模擬視圖的視窗。左下角的0.6*0.6部分是關(guān)節(jié)鏡所看到場景的模擬視窗。右下角0.6*0.4的部分是顯示工具名稱和工具的操作的按鈕，并且顯示有工具的操作的鍵盤控制鍵所用到的鍵。

第二部分，功能設(shè)計。因為本次設(shè)計是手術(shù)仿真，因此本設(shè)計的功能設(shè)計完全按照真實手術(shù)操作步驟來進行。另外，仿真系統(tǒng)的目的是手術(shù)培訓(xùn)，對象是尚未完全熟練進行手術(shù)操作的醫(yī)護人員或者第一次進行手術(shù)培訓(xùn)的醫(yī)護人員，所以，有必要添加提醒功能。遵從以上兩個原則，以及保證實現(xiàn)培訓(xùn)目的，我在操作界面添加了25個按鍵，分別控制手術(shù)流程、操作、提示。

3.2仿真過程的實現(xiàn)

整個手術(shù)仿真的過程是，點擊手術(shù)名稱的按鈕，在屏幕左上方出現(xiàn)“適應(yīng)癥”、“開始”、“操作提示”和“工具列表”四個按鈕，如圖3.2.1。

圖3.2.1

點擊“適應(yīng)癥”按鈕，在“適應(yīng)癥”按鈕后出現(xiàn)適應(yīng)癥的內(nèi)容,如圖3.2.2；點擊“開始”按鈕，在后面出現(xiàn)“第一步”按鈕，如圖3.2.3；點擊右下方的“工具列表”按鈕，出現(xiàn)手術(shù)過程中使用的所有器械3.2.4。

圖3.2.2圖3.2.3

圖3.2.4

點擊“第一步”按鈕，后面出現(xiàn)第一步手術(shù)內(nèi)容，右下角視窗出現(xiàn)“關(guān)節(jié)鏡”和“選刀”兩個按鈕，按照“操作提示”后面顯示的提示內(nèi)容依次點擊按鈕，如圖3.2.5。

圖3.2.5

在點擊了持物鉗的“定位”按鈕之后，左上角視窗出現(xiàn)“第二步”按鈕，點擊“第二步”按鈕，在右下角視窗出現(xiàn)“電鉆”按鈕，按照“操作提示”后面顯示的步驟操作，如圖3.2.6。

圖3.2.6

點擊了電鉆的“定位”按鈕之后，出現(xiàn)“第三步”按鈕，按照“操作提示”后面顯示的步驟操作，如圖3.2.7。

圖3.2.7

在點擊了肌腱的“定位”按鈕后，出現(xiàn)“第四步”按鈕，點擊按鈕后出現(xiàn)“螺釘1”和“螺釘2”兩個按鈕，依次點擊，手術(shù)完成，如圖3.2.8。

圖3.2.8

4功能設(shè)計與實現(xiàn)

4.1器械的建模

關(guān)節(jié)鏡由四部分組成：鏡頭、進水管、鏡柄，鏡托。

（1）鏡頭。執(zhí)行命令工具“幾何體”，點擊“圓柱體”，在工作區(qū)左視圖畫圓，按住鼠標(biāo)拉伸高度。然后在右邊命令工具欄修改面板，修改屬性，如圖4.1。圖4.1

(2)進水管。執(zhí)行命令工具“圖形”，點擊“圓”，在工作區(qū)前視圖畫圓，點擊“線”，按住shift鍵畫垂直線；在選中線的狀態(tài)下，點擊“幾何體”，在下拉菜單中選擇復(fù)合對象，點擊放樣，再點擊截取圖形，選中前視圖的圓，生成圓柱體；然后點擊修改，在下面的工具欄中點擊縮放，修改如圖4.2所示。生成模型如圖4.3所示模型。圖4.2

圖4.3(3)鏡柄。在前視圖畫圓柱，在其右邊畫與圓柱直徑相等的圓球。使球心過圓柱端面的中心，然后點擊右邊命令工具欄的修改，在下面修改圓柱和球的參數(shù)、屬性。如圖4.4所示。圖4.4選中圓柱，點擊幾何體，下拉選復(fù)合對象，布爾，點擊并集，再點擊選取操作對象B，選中圓球，此時圓柱與圓球合為一體。如圖4.5所示。圖4.5(4)鏡托。在前視圖繪制如圖3-6(a)閉合線。然后在選中狀態(tài)下，點擊菜單欄修改器，彈出菜單選面片/樣條線編輯(p)，再選車削；在右邊命令工具欄中,調(diào)整中心軸的位置，如圖4.6(b)(a)(b)圖4.6最后生成模型如圖4.7所示。圖4.7然后調(diào)整各個零件的位置和比例大小，使它們組成關(guān)節(jié)鏡，如圖4.8所示。圖4.84.1仿真界面的設(shè)計

4.1.1雙窗口顯示將裝配好的模型，使用3DMAX中EONRaptorWebStudio插件的功能，直接將3DMAX模型導(dǎo)出保存為EON能直接打開的eoz格式文件。根據(jù)要求，要有兩個窗口分別顯示整體視圖與關(guān)節(jié)鏡內(nèi)部視圖，此時Viewports框架下只有一個Viewport文件，說明默認只有一個顯示窗口。右鍵點擊Viewport文件，選擇Copy，然后選擇Viewports框架，右擊，選擇Paste，此時框架下出現(xiàn)了另一個文件Viewport1，如圖4.1.1所示。用同樣的方法復(fù)制出另一個ActiveViewportCamera1攝像機節(jié)點，如圖4.1.2所示。圖4.1.1圖4.1.2此時創(chuàng)建的兩個顯示窗口是同樣大小，而且重合，可以在他們的屬性里面調(diào)節(jié)大小與位置，直到符合要求。選擇Viewport右側(cè)出現(xiàn)它的屬性面板，如圖4.1.3所示，也可以右鍵打開浮動的屬性面板。通過調(diào)節(jié)X、Y的值，來調(diào)視口的左上角的坐標(biāo)，通過調(diào)節(jié)Width、Height的值，調(diào)節(jié)視口的大小。系統(tǒng)中將這個視口做為整體視圖，視口大小如圖中所示。用同樣的方法，調(diào)Viewport1的屬性，系統(tǒng)中將這個視口做為內(nèi)窺鏡視圖，此時要注意，Viewport1的大小與位置必須在整個窗口的其余位置里面選擇。兩個視口的大小與比例如圖4.1.4所示，最終雙視口的效果如圖4.1.5所示。圖4.1.3圖4.1.4圖4.1.54.1.2內(nèi)部瀏覽上節(jié)中的兩個視口是同步的，中是大小不一樣，現(xiàn)在我們要實現(xiàn)的功能是，顯示的內(nèi)容不一樣，但還是同步的。首先展開Viewport1下面的Camera文件夾框架，將下面的ActiveViewportCamera節(jié)點刪掉；然后右擊剛才復(fù)制出的ActiveViewportCamera1文件，選擇CopyasLink，右擊Viewport1下面的Camera文件夾框架選擇Paste，如圖4.1.6所示。此時兩個視口仍然是同步的，只是被兩個攝像機控制，顯示的內(nèi)容不同。圖4.1.6最終要實現(xiàn)的功能是，在內(nèi)窺鏡視圖中的顯示內(nèi)容隨著關(guān)節(jié)鏡的移動而變化，在路由窗口中，將guanjiejing與ActiveViewportCamera1拖放入Route:Simulation窗口中，將兩者的WorldPosition相連，連接如圖4.1.7所示，此時移動關(guān)節(jié)鏡，顯示內(nèi)容隨著改變，實現(xiàn)了內(nèi)窺鏡的內(nèi)部瀏覽功能。特別要注意的是，在建模時將關(guān)節(jié)鏡的中心點放在鏡頭處。圖4.1.7

4.1.3鏡頭的模擬內(nèi)窺鏡手術(shù)中的顯示器，中間圓形的區(qū)域用顯示關(guān)節(jié)腔內(nèi)的內(nèi)容，在系統(tǒng)中實現(xiàn)是通過將一張圖片放在攝像機框架內(nèi)，來實現(xiàn)的。首先在Photoshop中制做一張方形的，中間透明的，png格式的圖片，如圖1-8所示。圖4.1.8其次在ActiveViewportCamera1框架節(jié)點下添加一個Frame節(jié)點，在Frame節(jié)點下添加一個Decal節(jié)點，在Decal的DecalFileName屬性中，添加剛才PS的png格式的圖片，如圖4.1.9所示。圖4.1.9圖4.1.10通過調(diào)節(jié)Frame節(jié)點的Position屬性中X、Y、Z的值，調(diào)整圖片的位置，通過調(diào)節(jié)Decal節(jié)點DecalSize的值，調(diào)整圖片的大小，直到達到要求為止，效果如圖4.1.11所示。圖4.1.11

4.2仿真功能的設(shè)計

4.2.1EONStudio視窗簡介

在EON的主題視窗包含了幾個子視窗。最重要的三個視窗分別是元件視窗（ComponentsWindow）、模擬環(huán)境的元件樹狀架構(gòu)視窗（SimulationTree）以及排程行為定義視窗(RoutesWindow)。

（1）元件視窗：包含許多不同功能的Nodes以及Prototype供用戶編輯與應(yīng)用。其中，Node稱為功能節(jié)點，是EON模擬程式的基本組成單位，通過添加、設(shè)置不同的功能節(jié)點可以實現(xiàn)不同的特定功能。Prototype也標(biāo)準(zhǔn)原型，是EON中一個最重要的特色，其主要用來增強EON建立復(fù)雜模擬程式的能力，以及改善程式的變通性。標(biāo)準(zhǔn)原型亦是一個分離的物件，其具有可以編輯的特性，正如同標(biāo)準(zhǔn)的EON功能節(jié)點的特性一樣。如圖4.2.1。

圖4.2.1

（2）模擬環(huán)境的元件樹狀架構(gòu)視窗：功能節(jié)點和標(biāo)準(zhǔn)原型在模擬程式中如何排列，是建構(gòu)模擬程式的重點，而模擬環(huán)境的元件樹狀架構(gòu)是利用元件視窗中功能節(jié)點復(fù)制來建立。模擬樹狀結(jié)構(gòu)視窗中有兩個窗格－一個是模擬樹狀結(jié)構(gòu)，另一個是區(qū)域性的標(biāo)準(zhǔn)原型。如圖4.2.2.

圖4.2.2

（3）排程行為定義視窗：提供所有被定義的流程圖形的表示法，連接功能節(jié)點，并定義資料在期間傳送時所具備的行為。如圖4.2.3.

圖4.2.3

4.2.2EON應(yīng)用程式的創(chuàng)建

任何EON應(yīng)用程式的創(chuàng)建都必須包含四步，分別是：向模擬樹中添加節(jié)點、設(shè)置節(jié)點屬性、拖動節(jié)點至邏輯視窗、連接節(jié)點。另外，對于有些特殊的程式，還需做其他工作，如編寫Script。

4.2.3功能設(shè)計的實現(xiàn)

（1）實現(xiàn)按鈕節(jié)點觸發(fā)按鈕節(jié)點的實現(xiàn)用“ToggleButton”節(jié)點作為觸發(fā)按鈕出現(xiàn)的節(jié)點。“ToggleButton”作為按鈕節(jié)點。為區(qū)分節(jié)點輸出是否觸發(fā)，點擊使用節(jié)點，在其屬性設(shè)定框修改DownBoxColor和UpBoxColor屬性，如圖4.2.4.

圖4.2.4用觸發(fā)“ToggleButton”中的輸出Onbuttondown和Onbuttonup分別連接到被觸發(fā)“ToggleButton”輸入IsActive和IsNotActive，如圖4.2.5。

圖4.2.5

（2）用按鈕節(jié)點觸發(fā)文字提示功能實現(xiàn)。用“ToggleButton”節(jié)點作為觸發(fā)文字出現(xiàn)的按鈕，“2DText”作為文字提示出現(xiàn)的節(jié)點，文字以開始時沒有出現(xiàn)的，在“2DText”的選項打勾去掉，表示節(jié)點沒有觸發(fā)前是不運行的。用“ToggleButton”中的輸出Onbuttondown連接到“2DText”輸入的SetRun如圖4.2.6所示。圖4.2.6（3）用按鈕節(jié)點觸發(fā)模型實現(xiàn)。用“ToggleButton”節(jié)點作為觸發(fā)模型出現(xiàn)的按鈕，模型結(jié)構(gòu)節(jié)點作為觸發(fā)節(jié)點，模型開始時沒有出現(xiàn)的，在模型結(jié)構(gòu)節(jié)點的選項打勾，表示模型結(jié)構(gòu)節(jié)點沒有觸發(fā)前是不運行的。用“ToggleButton”中的輸出Onbuttondown連接到模型結(jié)構(gòu)節(jié)點的輸入中的SetRun，如圖4.2.7所示。關(guān)節(jié)鏡和持物鉗的觸發(fā)就是用這種方法。圖4..2.7

（4）用按鈕節(jié)點觸發(fā)運動的實現(xiàn)

用“ToggleButton”節(jié)點作為觸發(fā)運動的按鈕，“Place”節(jié)點作為觸發(fā)節(jié)點，模型開始時是沒有運動的，在“Place”節(jié)點的屬性設(shè)定框中的選項不打勾，表示“Place”節(jié)點沒有觸發(fā)前是不運行的。用“ToggleButton”中的輸出Onbuttondown連接到“Place”節(jié)點的輸入中的SetRun，如圖所示。運動功能的實現(xiàn)是本次設(shè)計的重點，為確保虛擬手術(shù)的仿真程度，一次手術(shù)操作多添加兩個或兩個以上“Place”節(jié)點操作，如圖4.2.8.

圖4.2.8

（5）碰撞功能的實現(xiàn)

實現(xiàn)碰撞功能，選擇碰撞物體中的任意一個，在其框架節(jié)點下添加節(jié)點，將其與碰撞物件框架復(fù)制并關(guān)聯(lián)到節(jié)點下的文件夾下，如圖4.2.9。

圖4.2.9

5系統(tǒng)的開發(fā)

5.1EONStudio的介紹EonStudio是一個基于GUI的設(shè)計工具，能夠開發(fā)出應(yīng)用于銷售/市場、訓(xùn)練/培訓(xùn)等領(lǐng)域，具有虛擬現(xiàn)實場景漫游的真實的3D多媒體應(yīng)用程序。EonStudio能夠輕松地導(dǎo)入3D模型，市面上90%以上的軟件產(chǎn)生的文件都能很方便地輸入到EonStudio里。如三維動畫軟件：3DMAX、Lighewave；計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件：Solidworks、ArchiCAD、AutoCAD等。3D模型導(dǎo)入到EONStudio里面以后，通過EON可以很方便地給模型加上行為。很多語（如script、C++、EONSDK等）都能與EONStudio一起使用。EONStudio的應(yīng)用程序也能夠以多種方式發(fā)布，如桌面顯示系統(tǒng)、Internet、CD-ROM、投影顯示系統(tǒng)等。EON應(yīng)用程序也能與其他工具相結(jié)合，支持MicrosoftActiveX控件，如PowerPoint、MacromediaAuthorware、Director、Shockwave、VisualBasic等。EONStudio易學(xué)易用延伸性強，人工智慧的操控介面與模組，同時兼顧專業(yè)與非專業(yè)人士學(xué)習(xí)虛擬現(xiàn)實技術(shù)所需要不同的功能與各式支持。輕易與其他3D軟件結(jié)合，不需要重建模型，3DS、VRML2、世界90%的3D軟件都支持的虛擬現(xiàn)實標(biāo)準(zhǔn)格式，輕輕松松輸入EON將Virtual變成Reality，不用擔(dān)心檔案格式相容性的問題。坐標(biāo)資料3D視覺化，具有學(xué)術(shù)研究價值?？蓪⒁粋€個的坐標(biāo)數(shù)據(jù)或資料與EON結(jié)合并且針對不同狀況給予不同參數(shù)產(chǎn)生不同結(jié)果。整合的場景與物件“真實度”高，游走互動性強，“真實”是虛擬現(xiàn)實科技展現(xiàn)的基本要求。Plug－in人性化自動下載安裝，當(dāng)user端透過Internet進入Wed時，Server會自動偵測user端有無事先安裝Plug－in，若無，Server會自動下載幫user安裝在電腦中。一般的電腦配備就可以EON執(zhí)行，只要可以執(zhí)行Window2000的電腦就可以開始運用EON進行模擬設(shè)計、創(chuàng)意行銷、教育訓(xùn)練?？缮壷罥mmersive版本外接HMD、數(shù)位手套、位置追蹤器或外加SDK模組研發(fā)更強的VR模擬操控系統(tǒng)整合多媒體、資料庫、視訊至網(wǎng)路、PDA及無線通訊豐富可自行增編的智慧型功能庫Prototype，可將平時已經(jīng)做好的智慧型功能儲存至資料庫中也可以賣現(xiàn)成的智慧型功能加入資料庫。

5.2建模工具簡介

【3dsmax】是美國Autodesk公司旗下優(yōu)秀的電腦三維動畫、模型和渲染軟件，全稱：3DStudioMAX。該軟件早期名為3DS，是應(yīng)用在dos下的三維軟件，之后隨著PC機的高速發(fā)展，Autodesk公司于1993年開始研發(fā)基于PC下的三維軟件，終于在1996年3DStudioMAXV1.0問世，圖形化的操作界面，使應(yīng)用更為方便。3DStudioMAX從V4.0開始簡寫成3dsmax，隨后歷經(jīng)V1.2，2.5，3.0，4.0，5.0（未細分），Autodesk堅持不懈的努力不斷更新更高級的版本，逐步完善了燈光、材質(zhì)渲染，模型和動畫制作。廣泛應(yīng)用于三維動畫、影視制作、建筑設(shè)計等各種靜態(tài)、動態(tài)場景的模擬制作。3dsmax從2009開始分為兩個版本，它們分別是3dsmax和3dsmaxDesign。3dsmax和3dsmaxDesign分別是動畫版或建筑工業(yè)版，Design是建筑工業(yè)版，以前的以前曾有過3dsViZ建筑工業(yè)版，因此說3dsmax始終與建筑等的模擬設(shè)計相關(guān)。3dsmax主要應(yīng)用于建筑、影視、游戲、動畫方面，擁有軟件開發(fā)工具包（DSK），SDK是一套用在娛樂市場上的開發(fā)工具，用于軟件整合到現(xiàn)有制作的流水線以及開發(fā)與之相合作的工具，在biped方面作出的新改進將讓我們輕松構(gòu)建四足動物。Revealu渲染功能將讓我們更快的重復(fù)，重新設(shè)計的OBJ輸入也會讓3dsmax和Mudbox之間的轉(zhuǎn)換變得更加容易。3dsmaxDesign主要應(yīng)用在建筑、工業(yè)、制圖方面，主要在燈光方面有改進，有用于模擬和分析陽光、天空以及人工照明來輔助LEED8.1證明的Exposure技術(shù)，這個功能在viewport中可以分析太陽，天空等。您現(xiàn)在可以直接在視口以顏色來調(diào)整光線的強度表現(xiàn)。3dsmaxDesign是在建筑效果圖和工業(yè)制圖方面的專業(yè)工具，無論是室內(nèi)建筑裝飾效果圖，還是室外建筑設(shè)計效果圖，3dsmaxDesign強大的功能和靈活性都是實現(xiàn)創(chuàng)造力的最佳選擇。6結(jié)論

關(guān)節(jié)鏡可以進入關(guān)節(jié)內(nèi)部進行全面、細致的觀察，診斷較切開手術(shù)更加準(zhǔn)確，可以直接觀察和治療許多關(guān)節(jié)內(nèi)的結(jié)構(gòu)和病變。但是，由于手、眼協(xié)調(diào)困難，視野和手術(shù)器械的活動范圍有限，操作難度高，醫(yī)生需經(jīng)大量的訓(xùn)練才能熟練操作節(jié)鏡手術(shù)；且傳統(tǒng)的尸體訓(xùn)練成本昂貴，在病人身上練習(xí)又風(fēng)險極高，故目前掌握該類手術(shù)技能的醫(yī)生非常有限，急需低成本、低風(fēng)險、高效率的培訓(xùn)手段，以提高醫(yī)學(xué)診療水平，而建立手術(shù)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)將能實現(xiàn)這個目的。在這次設(shè)計中，我了解到虛擬手術(shù)技術(shù)的國內(nèi)外的現(xiàn)狀和膝關(guān)節(jié)鏡前交叉韌帶修復(fù)手術(shù)的相關(guān)知識。在將膝關(guān)節(jié)模型和手術(shù)器械導(dǎo)入到EON軟件后，按照膝關(guān)節(jié)鏡前交叉韌帶修復(fù)手術(shù)的具體步驟，遵循手術(shù)培訓(xùn)的原則，在EON軟