基于小针刀治疗颈椎病的VR系统设计.pdf

Modern Scientific Instruments Vol.41 No.1 Feb.2024 10 基于小针刀治疗颈椎病的 VR 系统设计 王 壮（秦皇岛市中医医院，河北秦皇岛 066000）摘 要 虚拟手术可以建立一个具有视觉、触觉、听觉等多种感觉的环境，它对改变传统的医学模式和提高工作人员的专业性具有重要作用。但是其在针刀手术中应用还未普及。鉴于此，研究采用 AnyBody 和 Hill 模型对头颈椎骨肌进行多体动力学分析，并基于 FDK 算法实现椎间盘载荷计算。此外，为了较好地模拟颈椎颈椎软组织与针刀的交互作用过程，研究设计了一种包含图像渲染、碰撞检测的虚拟手术仿真系统。结果显示，研究所提模型在整个针刀运动过程中没有间断，且随着针刀与颈椎软组织的分离操作的结束能够减小至 0。这表明该模型在分离中避免组织穿透情况效果良好。在椎间盘压力预测上，研究所提模型在前屈、后伸、侧弯以及旋转运动中产生的压力均值均在 50-150N 之间，这表明压力值符合日常活动压力范围。因此，研究所提模型在模拟和预测颈椎力学特征上具备有效性。关键词 针刀；VR；力学特征；颈椎；AnyBody 中图分类号 TP391 文献标识码 A Design of VR System for Cervical Spondylosis Treatment Based on Small Needle Knife Wang Zhuang（Qinhuangdao traditional Chinese medicine hospital Qinhuangdao,Hebei 066000）Abstract Virtual surgery can create an environment with multiple senses such as vision,touch,and hearing,which plays an important role in changing traditional medical models and improving the professionalism of staff.However,its application in needle knife surgery is not yet widespread.In view of this,the study used AnyBody and Hill models for multi body dynamic analysis of the head and neck muscles,and implemented intervertebral disc load calculation based on the FDK algorithm.In addition,in order to better simulate the interaction process between cervical soft tissue and needle knife,a virtual surgical simulation system including image rendering and collision detection was studied and designed.The results showed that the model proposed in the study showed no interruption throughout the entire process of needle knife movement,and could decrease to 0 with the end of the separation operation between the needle knife and the cervical soft tissue.This indicates that the model has a good effect in avoiding tissue penetration during separation.In terms of predicting intervertebral disc pressure,the average pressure generated by the proposed model during forward flexion,backward extension,lateral bending,and rotational movements is between 50 and 150N,which is in line with the daily activity pressure range.Therefore,this indicates the effectiveness of the proposed model in simulating and predicting the mechanical characteristics of the cervical spine.Key Words Needle knife；VR；Mechanical characteristics；Cervical spine；AnyBody 收稿日期：2023-05-05 作者简介：王壮（1986-），男，河北省唐山市人，主治中医师，湖南中医药大学本硕连读毕业，主要从事骨伤疾病的保守和手术治疗 第 41 卷 第 1 期 2024 年 2 月 王壮 基于小针刀治疗颈椎病的 VR 系统设计 11虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种能够建立和体验虚拟环境的计算机模拟系统。用户可以使用VR 护目镜和传感器头盔等高科技设备在虚拟环境中与目标进行通信，从而在听觉、触觉和视觉感知领域实现身临其境的交互体验1。作为虚拟现实技术在现代医学领域最重要的应用之一。它旨在通过收集真实身体的医学图像来构建软组织模型，并在虚拟环境中为受训者构建手术台2-3。随着医疗技术的发展，对手术的安全性和有效性提出了越来越多的要求。但是，当外科医生第一次接触手术时，将面临复杂的视觉环境和手术范围的限制等问题。为了克服手术训练的局限性，开发了基于 VR 的虚拟手术模拟系统。在手术之前，医生可以使用虚拟手术重新进行锻炼，而不必担心手术中缺乏资源或费用4-5。针刀和西刀一样，可以实现直线切割和分离。在针对颈椎病的治疗中，通过用刀片去除受损组织中的粘连、疤痕和病变，它消除了高张力，恢复了部分机械平衡，从而缓解了疼痛。为了提高手术精度和降低实验费用，此次研究旨在开发一个虚拟手术模拟系统，该系统可以显示组织模型的复杂变形，从而提高工作人员的专业性。1 颈椎骨肌力学建模及其交互模拟 1.1 基于 AnyBody 的颈椎骨肌生物力学模型 AnyBody 软件可以构建颈部骨骼肌肉模型，其由9 块被定义为实体的人体骨骼组成，包括一节头骨、七节锥体骨和一节胸骨，每个刚性骨节的重量和惯性将得到有效分配。头骨和胸骨由 7 块椎骨连接，运动由 8 个关节限制。在 C2T1 中，每个关节被定义为 3自由度球窝连接。而在 C1 到 C2 中，每个接头被定义为一自由度旋转接头。C0-C1 只能进行弯曲和拉伸运动，而 C1 至 C2 只能进行转动运动。通用头颈模型由 136 个肌肉束组成，这些肌肉束通过插入点和起点连接到刚体部分。肌肉基础模型是 Hill 模型，由肌腱单元、被动伸展单元和主动回缩单元组成，图 1 显示了 Hill 模型6-7。图 1 Hill 模型 CE 是收缩组件，这是肌肉纤维的作用特性；PE是平行弹性组件，这是肌肉纤维的被动刚度；SE 是串联弹性组件，反映肌腱的弹性特性；是肌腱与肌肉的角度8。在 AnyBody 所给肌肉模型中，椎间盘被认为是一个球窝连接点，只能实现旋转而不能平移。人体椎间盘有 6 个自由度，可以绕 X 轴、Y 轴、Z 轴旋转或者平移。为了使椎间盘更逼真，需要扩展出另外 3 个自由度。为了模拟软骨结构扭曲引起的关节间运动，使用 FDK 方法计算椎间盘载荷。图 2 展示了FDK 的设计原理图。在FDK自由度方向发现静态平衡逆动力学分析FDK位置参数FDK残余力 图 2 FDK 设计原理图 力依赖运动学建模（Force-Dependent Kinematics，FDK）是反向动力学分析方法的扩展。其可以考虑关节的宏观运动、内部运动、关节的接触、肌肉模型和韧带。FDK 方法假设关节的内部运动小于人的宏观运动。FDK 基于力在自由度上的静态平衡的计算，以获得关节内部运动的位置参数。然后，将获取的位置参数返回到反向动力学，反向动力学可用于计算力。FDK 的剩余力返回到 FDK 的静止平衡，并且当FDK 保持在 0 时结束。如果 AnyBody 建模系统中有更多的肌肉单元，那么当肌肉被招募时就会出现多余的问题，并且这个问题没有唯一解。为了解决这个问题，AnyBody 优化了肌肉募集问题，如公式（1）所示。()()objective function:Hsubject to D,0nniiffFfN （1）平行弹性组件收缩组件串联弹性组件 Modern Scientific Instruments Vol.41 No.1 Feb.2024 12 式（1）中，H(f(n)是优化目标函数，n 代表肌肉，f(n)是肌肉力。F 是外力、惯性等约束矩阵。系数矩阵D 由肌肉力量、关节反应力和剩余 FDK 等因素组成。根据骨骼的重量、高度和几何体对单个骨骼进行缩放，以确定其相对位置。在 AnyBody 中，有许多缩放技术已应用于全身步态模型9。此次研究使用最基本的均匀缩放模型。骨骼中的每一块骨骼都由质量特性和一组节点组成，这些节点决定了关节的中心和肌肉的插入点。在个性化个人建模的情况下，有必要缩放质量属性以及节点的位置。公式（2）为均匀缩放数学表达式。*2/3 0 00 0,0 0 mmpMpFF hp （2）式（2）中，S 是骨骼和肌肉插入点的缩放矩阵，p 是主模型身高的百分比，hm是主模型的重量比，F*和 Fm受试者和测试模型的最大肌肉力量。AnyBody程序中大多数常见的颈椎模型都不包含颈部韧带，但实际上韧带对颈部的平衡非常重要。颈部有 5 种基本韧带：前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带和囊膜韧带。研究通过起点和插入点将韧带插入模型中，并使用直弹簧构件来模拟韧带，如公式（3）所示。110100/*/FkkFLLLL （3）式（3）中，F和 k 表示作用力和韧带刚度，和1表示力作用下韧带产生的应变及其参数，F1为应变1对应的韧带作用力，L1是在 t 时刻韧带的长度，L0是韧带不受力时的长度。1.2 基于颈椎软组织交互作用的小针刀虚拟手术仿真系统 颈椎软组织与针刀的相互作用之前，针刀是放置在颈椎软组织外部的。当刀片与颈椎软组织的外部接触时，它将从外部状态变为切割或者针刺状态。若将针刀从颈椎软组织中取出，它就会恢复到外部状态。图 3 显示了针刀与颈椎软组织的转换关系。切割或穿刺滑动拉紧外部针刀切割力超过最大静摩擦力部分离开软组织针刀与软组织表面发生接触针刀离开软组织表面 图 3 针刀与颈椎软组织之间的置转换关系 如果施加在刀片上的切割力或者穿刺力超过颈椎软组织上的最大静摩擦力，刀片将穿透颈椎软组织并在颈椎软组织中引起相对平滑的滑动。在这种情况下，切割或者穿刺条件将转换为滑动条件。当刀片与颈椎软组织分离时，它将恢复到切割或者穿刺的状态。一旦刀片完全插入颈椎软组织，损伤的两侧将从滑动状态拉伸到紧密状态。在针刀手术中，医生用刀片在皮肤上做一个切口或者穿刺点位，由于摩擦力的作用，颈椎软组织内部会产生相对滑动，周围的颈椎软组织区域会产生相应的运动。在相互作用模拟过程中，摩擦力可分为静态摩擦力和滑动摩擦力两部分。图 4 显示了针刀与颈椎软组织相互作用过程。n0n1n3n4f23f12n2F0F4F1F3Fsumx2x3x4x0 x1 图 4 针刀与颈椎软组织相互作用过程 从图 4 可知，x0至 x4连接的蓝色折线表示切割线第和表f12趋成着彼示型30到第 41 卷 第 1 期和穿刺方向，n表面，F1和 F32与 f23为 n2承趋势的摩擦分力成功切割时，静着刀具速度的增彼此移动时，产示了针刀虚拟手Obj、软手确穿刺计该系统由可型组成。基于在图 6（000 个时间步到 1520 以及 22024 年 2 月 n0至 n4连接3为施加在 n2承受的拉力。力，力的方向静态摩擦力将增加而变大。产生的阻止物手术系统框架、off文件导入软组织建模手术场景渲染碰撞检测确定受力点切割分离计算交互力图 7 针刀虚拟可视化模型、3D Max，视 a）中的模拟步长变化，在2250 到 2500 王壮 接的黑色线表2的颈椎软组静摩擦力等于向与运动趋势将转变为滑动滑动摩擦是物体滑动的作架。离力反馈拟手术系统框架 交互计算模视觉渲染模块（a）切割过程中拟过程中，排斥步长在 4000 之间排斥力基于小针刀治示颈椎软组织组织表面张力，于 Fsum沿运动势相反。当刀具动摩擦力，其随当物体相对于作用力。图 5 显馈模块 型和力反馈模创建了一个相排斥力变化曲线 图 6 排斥力斥力的大小以到 620、140呈现快速增长 治疗颈椎病的 VR织动具随于显模相关的 o形和法立基础穿刺过断颈椎的情况产生的以便用在屏幕块通过反馈系该系统户提供触摸板知到的2 针刀为虚拟手置如下算机主弯曲和检测模0.1。力和弯曲弹力变化以00长趋势，值为 0到 210R 系统设计 obj 文件，用于法向量的数据础照明、场景位过程中，交互式椎软组织表面况下，需要确认的位移计算变用户体验真实幕上实时更新过力反馈系统系统用于在交统可以与视觉供真实的触摸板来监测颈椎的交互来调整刀虚拟手术为了验证研究手术仿真系统下：英伟达 R主存大小为 32和剪切杨氏模模块的距离参（b）切割过程中弯化过程 斜率较大，当0.41N。当步长00 之间时排斥于存储模型中。将 OBJ 模位置等，完成式计算模块首和刀具是否有认承载点的位形，然后将其的力反馈10。计算的颈椎软输入操作装置互式计算模块绘制模块同步体验。可以通软组织模型的操作过程。仿真系统效究采用的基于的有效性，研RTX4080 显卡2GB、操作系量设置为 2.5参数和排斥力弯曲弹力变化 当步长为 600长在 0 到 400、斥力处于小浮中每个粒子的模型加载到项成操作场景。首先通过碰撞有碰撞。在检位置，根据承其传输到力反。此外，通过软组织模型。置的位置和角块中收集相互步使用，利用通过使用力反的变形状态，效用分析 于生物特征建立研究选择的操卡、英特尔 i7系统为 win10。5GPa 和 7.5G力参数分别为 0 时，排斥力750 到 1400 以浮动变化状态13的顶点、图项目中，建在切割和撞检测来判检测到碰撞承载点运动反馈系统，过视觉渲染力反馈模角度，该力互作用力。后驱为用反馈设备的并根据感立的针刀操作系统配7CPU，计。仿真时，GPa，碰撞为 0.15 和取得最高以及 1750态，其大小 Modern Scientific Instruments Vol.41 No.1 Feb.2024 14 处在 0 到 0.035N 之间。在针刀的整个运动过程中，排斥作用不间断，当分离动作完成时，排斥作用才减弱到零。弹簧条在组织分离位置附近的排斥力是按照近似指数函数递增的。可以看出，该方法有效地避免了分离中可能出现的穿透，从而提供了更精准的力反馈。图 6（b）显示了分离过程中弯曲力的变化，整个弯曲弹力共呈现出六处波峰，在步长为 1060 时，切割过程中的弯曲弹力取得最大值为 0.79N。当步长在 1250 到 1500、2000 到 2200 之间时，弯曲弹力处于较低值，浮动范围在 0 到 0.08N 之间。当针刀进入弯曲位置时，弯曲力将呈现较高波峰，当针刀处于平滑处时，弯曲力随之变小，甚至变为零。这种变化结果表明，研究所提弯曲力符合颈椎软组织的交互运动规律。力（N）3.53.02.52.01.51.00.50.00.00.51.01.52.02.53.03.5位移（mm）3mm/s6mm/s9mm/s 图 7 外力和位移关系曲线 从图 7 可知，力偏移曲线在 3mm/s、6mm/s 和9mm/s 时显示出类似的曲线变化趋势。应力位移曲线在位移较低时表现出非线性关系，但在位移较大时变为线性关系。这与颈椎软组织的非线性特性是一致的。对于移动速度取值为 3mm/s 的测试曲线，当位移增至 2.5mm 时，随着位移的增加外力取值按照定斜率增加，在位移为 3.0mm 时取得最大值为 3.08N；对于移动速度取值为 6mm/s 的测试曲线，当位移增至2.7mm 时，随着位移的增加外力取值按照固定斜率增加，在位移为 3.0mm 时取得最大值为 2.98N；对于移动速度取值为 9mm/s 的测试曲线，当位移增至 2.8mm时，随着位移的增加外力取值按照定斜率增加，在位移为 3.0mm 时取得最大值为 3.15N。图 8 椎间盘压力预测 从图 8 可知，当头部和颈椎位于起始位置，即角度为 0时，C3 至 C7 截面的椎间盘压力均值为 64.5N；当颈椎以前屈、后伸、侧弯以及旋转运动到极限位置时，C3 至 C7 的椎间盘压力均值分别为 139.87N，129.96N，128.15N 和 132.56 N。鉴于常规状态下每个截面椎间盘压力均值在 75 至 150N 范围内，预载荷为50 至 100N。因此，椎间盘在颈部每一节的平均压力在起始位置不低于 50N，而在颈部运动结束时，椎体每一节平均压力不超过 150N。对比可知，在研究的每个部分中，椎间盘压力的预测都在合理范围内。020406080100120140160180椎间盘（N）-40-30-20-10 010 20 30 40头部运动（）C3-C4C4-C5C5-C6C6-C7（a）屈伸0020406080100120140160180椎间盘（N）-40-30-20-10 010 20 30 40头部运动（）C3-C4C4-C5C5-C6C6-C7（b）侧弯020406080100120140160180椎间盘（N）-40-30-20-10 010 20 30 40头部运动（）C3-C4C4-C5C5-C6C6-C7（c）轴向旋转 第 41 卷 第 1 期 2024 年 2 月 王壮 基于小针刀治疗颈椎病的 VR 系统设计 15-70-50-30-1010305070剪切力（N）-40-30-20-10010 20 30 40头部运动（）-10-50510152025剪切力（N）-40-30-20-10010 203040头部运动（）C3-C4C4-C5C5-C6C6-C7C3-C4C4-C5C5-C6C6-C7头部运动（）剪切力（N）-1001020304050-70-50-30-10 10305070C3-C4C4-C5C5-C6C6-C7（a）屈伸（b）侧弯（c）轴向旋转 图 9 椎间盘前后剪切力预测 从图 9 可知，前后方向的剪切力是在前屈后伸、侧向弯曲和旋转运动过程中产生的，而左右方向的剪切力只有在侧向弯曲和旋转移动时才会产生。除了弯曲和拉伸运动外，椎间盘的切割力围绕其原始位置是对称的，并且在每次运动过程中，剪切力大致随着运动而上升。椎间盘的原始位置为零，而前后剪切力不为零。这是由于颈部在其原始位置相对于矢状面对称，并且没有侧向剪切。由于颈部的生理曲线，颈部前后会有一个初始的前后剪切力，随着截面长度的减小，该剪切力会变大。3 结论 虚拟手术作为虚拟现实技术最重要的应用之一，能够克服实验资源的限制和昂贵的培训费用，将其引入针刀治疗对于提高操作精确度至关重要。鉴于此，研究提出了一种基于生物特征的虚拟手术仿真系统。结果显示，当针刀处于弯曲位置时，发现弯曲力较高，大于 0.5N。当针刀片处于平滑水平时，其值较低，低于 0.05N，甚至降至零。这表明弯曲力符合颈部软组织的相互作用规律。此外，椎间盘在颈部每一节的平均压力在起始位置不低于 50N，而在颈部运动结束时，椎体每一节平均压力不超过 150N，满足人体颈椎承力范围。这表明研究所提模型能够对颈椎软组织进行较好的模拟，具有一定应用潜力。因此，研究所提虚拟手术仿真系统有助于再现针刀操作任务，具有较为真实的模拟效果。由于该仿真模型搭建时没有将伤口流血情况考虑在内，因此在未来有必要加入流血功能块，以完善虚拟手术仿真系统。参考文献 1 吕新和.虚拟现实技术在医学教育实践中的应用J.中国现代教育装备,2023(15):33-34+45.2 王平安.医学影像分析与手术模拟：人工智能和虚拟现实在医学中的应用J.光学与光电技术,2021,19(6):1-10.3 弭博岩,王鹏龙,王萌等.骨科手术仿真模拟训练系统的构建研究J.现代电子技术,2023,46(12):141-145.4 祝忆春,赵晖,徐培哲.基于 5G+VR 的手术仿真交互技术的应用J.江西通信科技,2022(2):23-26.5 刘寒.基于人体生物系统学习的 VR 应用技术开发J.医用生物力学,2022,37(4):779-780.6 陈贵亮,李子浩,蔡超等.基于人体动力学分析的下肢外骨骼助力设计及机构优化J.工程设计学报,2023,30(3):362-371.7 柯成,王芳,李明新等.变应变率下骨骼肌连续介质本构模型J.医用生物力学,2021,36(6):896-902.8 赵梦文,胡志刚,王新征等.基于AnyBody脑卒中患者手部抓握训练的肌肉力学特性分析J.医用生物力学,2021,36(5):698-704.9 范勋健,陈瑱贤,曹卓等.个体化骨肌多体动力学和有限元联合建模的肩胛骨锁定板生物力学评估方法J.西安交通大学学报,2019,53(7):168-176.10 周新华,阮一,王逻逻.可变虚拟刚度优化的医学手术触觉仿真系统J.数字技术与应用,2021,39(11):30-33+160.