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第1章 虚拟骨科手术系统介绍1

1.1 虚拟手术简介及其应用意义1

1.2 虚拟手术系统的发展框架2

1.3 虚拟手术系统构成3

1.3.1 虚拟手术系统硬件组成4

1.3.2 虚拟手术系统软件功能模块5

1.4 虚拟手术建模与仿真技术研究现状7

1.4.1 虚拟手术建模及仿真方法研究现状8

1.4.2 虚拟手术建模与仿真技术存在的问题18

1.5 虚拟骨科手术系统建模与仿真的研究背景概述19

1.6 虚拟手术系统中的机器人建模21

1.6.1 虚拟手术建模与仿真技术研究的硬件平台简介21

1.6.2 正骨机器人的三维几何建模23

1.6.3 正骨机器人的运动学建模25

1.7 虚拟手术系统中的环境建模29

1.7.1 构建虚拟环境的软件平台29

1.7.2 虚拟环境的交互操作30

1.7.3 机器人执行机构的轨迹显示30

1.8 小结31

参考文献31

第2章 人体组织数字化医学影像信息获取37

2.1 医学影像获取技术37

2.1.1 X射线摄影38

2.1.2 X射线计算机断层摄影（X-CT）40

2.1.3 核医学成像43

2.1.4 磁共振成像46

2.1.5 超声成像53

2.1.6 其他新型的医学成像技术56

2.2 医学影像数据库58

2.2.1 医学影像数据库的数据建模59

2.2.2 医学影像数据库的管理方法59

2.2.3 医学影像数据库国内研究现状61

2.2.4 医学影像数据库国外研究现状61

2.3 小结62

参考文献62

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64

3.1 复位手术64

3.1.1 牵引原理64

3.1.2 牵引流程65

3.2 腿部生物力学66

3.3 腿部的解剖结构67

3.3.1 腿部骨骼的解剖结构67

3.3.2 腿部肌肉的解剖结构69

3.4 小结70

参考文献71

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72

4.1 几何建模的基本框架72

4.2 算法描述73

4.2.1 等值面抽取算法——Marching-Cubes算法73

4.2.2 网格简化算法77

4.2.3 体模型生成算法79

4.3 虚拟骨科手术系统人体组织几何建模81

4.3.1 图像预处理81

4.3.2 重建结果及分析85

4.3.3 模型简化结果86

4.4 小结88

参考文献88

第5章 虚拟骨科手术系统人体组织生物力学建模89

5.1 三维线弹性模型89

5.1.1 无穷小应变的定义89

5.1.2 无限小应力的定义91

5.1.3 各向同性线弹性材料91

5.1.4 横向各向异性线弹性材料92

5.1.5 虚功原理93

5.2 非线性弹性模型94

5.2.1 线弹性模型的缺点94

5.2.2 非线性弹性的引入94

5.3 小结96

参考文献97

第6章 虚拟骨科手术系统人体组织模型计算98

6.1 线弹性模型的有限元计算98

6.1.1 线性四面体单元98

6.1.2 面积矢量100

6.1.3 各向同性线弹性材料刚度矩阵的计算101

6.1.4 横向各向异性材料刚度矩阵的计算103

6.2 非线性弹性模型有限元分析104

6.3 材料变形的平衡等式105

6.3.1 重力做功105

6.3.2 外表面压力做功105

6.3.3 质量矩阵106

6.3.4 边界条件107

6.3.5 平衡等式107

6.4 准静态变形的有限元计算108

6.5 动态变形的有限元计算109

6.6 人体腿部有限元模型的建立111

6.6.1 骨骼有限元模型111

6.6.2 肌肉有限元模型112

6.6.3 其他软组织有限元模型115

6.7 有限元模型验证116

6.7.1 边界和载荷条件116

6.7.2 试验结果117

6.7.3 试验结论119

6.8 小结120

参考文献120

第7章 虚拟手术中的碰撞检测122

7.1 包围盒层次结构122

7.1.1 固定方向凸包的定义与计算122

7.1.2 包围盒层次结构123

7.2 基于包围盒树的碰撞检测算法124

7.3 包围盒树的更新126

7.3.1 对象运动后包围盒树的更新——近似法126

7.3.2 对象变形后包围盒树的更新127

7.4 小结129

参考文献129

第8章 虚拟骨科手术系统的交互式实时仿真131

8.1 虚拟骨科手术系统的交互式仿真131

8.1.1 主从双向力操作关键技术研究状况131

8.1.2 力觉主手机构134

8.1.3 力觉主手控制系统134

8.1.4 系统控制算法设计及实现139

8.1.5 基于WINDOWS的实时控制软件设计143

8.2 虚拟骨科手术系统的实时仿真148

8.2.1 基于神经网络的生物力学模型148

8.2.2 系统集成150

8.2.3 实时力反馈试验151

8.2.4 试验结果分析153

8.3 小结153

参考文献154

第9章 有限元方法在生物医学工程中的应用156

9.1 有限元方法156

9.1.1 有限元方法概述156

9.1.2 有限元软件159

9.2 有限元方法在生物医学工程中的应用160

9.3 股骨颈骨折内固定方式有限元分析161

9.3.1 骨折内固定模型的建立162

9.3.2 有限元分析及结果优化168

9.3.3 骨密度对股骨近段力学性能的影响173

9.4 热力学基本知识175

9.4.1 传热学理论176

9.4.2 Pennes生物传热方程178

9.4.3 热应力理论180

9.5 基于三维温度场有限元分析股骨肿瘤热疗方案优化183

9.5.1 骨骼三维重建183

9.5.2 骨骼材料特性与CT值的关系185

9.5.3 股骨有限元模型的建立185

9.5.4 股骨三维温度场分析190

9.6 髋关节假体置换模型的建立及其热应力有限元分析196

9.6.1 髋关节置换模型的建立196

9.6.2 ANSYS热应力分析198

9.6.3 置换髋关节热应力分析198

9.7 骨愈合过程有限元模拟204

9.7.1 影响骨愈合过程的因素204

9.7.2 骨愈合过程的模拟方法205

9.8 小结207

参考文献207