Моделирование обработки костных структур бормашиной в хирургическом симуляторе с тактильной обратной связью
1, 2, 2, 1, 2
1 ГБОУ ВПО Саратовский ГМУ им. Минздрава России
2 ФГБОУ ВПО СГТУ им.
E-mail: *****@***ru
В настоящее время привитие практических навыков работы, необходимых для работы по хирургическим специальностям, например, в отариноларингологии и стоматологии, производится с использованием различного рода препаратов и фантомов. В процессе обучения используемые фантомы и препараты разрушаются, что приводит значительным финансовым затратам на обучение.
Активное развитие науки и техники, в частности, компьютерных технологий, позволяет перенести большую часть процесса обучения в виртуальную реальность [2, 4].
Сейчас наиболее распространена работа по костным структурам с использованием специальной хирургической бормашины с набором боров. В случае использования виртуальной реальности для обучения работе бормашиной по костным структурам на первый план выходят тактильные ощущения пользователя системы.
Реализовать симуляцию тактильных ощущений возможно при помощи устройств тактильного ввода-вывода – гаптик-устройств [3].
В рамках системы симуляции необходимо выполнить следующие шаги:
1. обнаружение столкновений – в результате определяется положение бора на поверхности моделируемого объекта и ориентация бормашины
2. расчёт объёма материала, удаляемого бором в области соприкосновения с поверхностью объекта (в случае, если происходит симуляция обработки моделируемого объекта бормашиной);
3. обновление модели моделируемого объекта (в случае, если происходит симуляция обработки моделируемого объекта бормашиной);
4. определение положения бора на поверхности моделируемого объекта и ориентации бормашины в удаления материала в процессе обработки;
5. расчёт тангенциальной силы, обусловленной взаимодействием вращающегося бора с поверхностью объекта – в случае, если происходит симуляция обработки бормашиной;
6. расчёт силы обратной связи – для создания у пользователя ощущения взаимодействия с виртуальным объектом.
Корректное моделирование удаления материала при обработке бормашиной важно для создания реалистичных ощущений при работе в системе симуляции.
Симуляция взаимодействий с моделируемыми объектами производится с использованием воксельного представления как моделируемого объекта [1], представляющего собой модель какой-либо костной структуры, так и самого инструмента. Такой вариант является наиболее оптимальным для реализации обнаружения столкновений. Для целей моделирования бор аппроксимируется множеством цилиндров.
Такая аппроксимация возможно по причине того, что все боры являются телами вращения.
Не только свойства материалов оказывают влияние на характер взаимодействий бормашины и обрабатываемого объекта. Важным является также качество бора. Под качеством бора понимают свойства его поверхности. Выделяют три основных вида боров [5, 6, 7]:
· розеточные – стальные боры, поверхность которых покрыта режущими гранями, наиболее грубые, при их использовании материал удаляется быстрее всего, но возникает значительная тряска;
· gold diamond – боры, поверхность которых эродирована и имеет грубое напыление; находятся посередине между розеточными и diamond;
· diamond – гладкие боры с тончайшим алмазным напылением: удаляют материал крайне медленно, что позволяет их использовать для тонких работ.
|
Рисунок 1.Аппроксимация бора. |
Для моделирования удаления материала различными борами была разработана следующая модель:
| (1) |
,где:
– объём материала, удаляемого в каждом вокселе, в котором происходит соприкосновение бора с поверхностью моделируемого объекта,
– частота вращения бора,
– радиус бора в точке касания с поверхностью моделируемого объекта;
- высота аппроксимационного сегмента в точке касания бора с поверхностью моделируемого объекта,
– число режущих граней,
– коэффициент, описывающий свойства материала.
Представленная модель служит для вычисления объёма удаляемого материала в каждом вокселе, в котором происходит соприкосновение поверхности бора с поверхностью моделируемого объекта. Как можно видеть (Рис.2), данная модель позволяет учитывать все ключевые параметры розеточного бора, влияющие на скорость удаления материала.
|
Рисунок 2. Зависимость объёма удаляемого материала от числа граней. |
Помимо моделирования обработки объектов розеточными борами данная модель позволяет моделировать и обработку другими видами бором. Для этого необходимо в указанной формуле увеличить значение . Дело в том, что фактически скорость удаления материала зависит от величины подачи, используемой при обработке, а в случае боров с режущими гранями, параллельнами (или почти параллельнами) оси вращения подача ограничивается расстоянием между режущими гранями.
Таким образом, разработанная модель позволяет моделировать обработку костных структур бормашиной в системе симуляции в режиме реального времени.
Библиографический список
1. Мареев, базовых принципов взаимодействия с воксельной моделью в трехмерном пространстве / , , // Бюллетень медицинских интернет-конференций. - 2015.
2. Алайцев, программно-аппаратного комплекса оториноларингологического симулятора с тактильной обратной связью / , , // Материалы Всероссийской школы – семинара «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине – 2015». - Изд. СГУ. 2015. – С. 109-111.
3. Мареев, принципы создания виртуального воксельного мира и реализации тактильной обратной связи в хирургических симуляторах / , , // Бюллетень медицинских интернет-конференций. - 2016.
4. von Sternberg N., Bartsch M. S., Petersik A., Wiltfang Sibbersen J. W., Grindel T., Tiede U., Warnke P., Heiland M., Russo P. A.J., Terheyden H., Pohlenz P., Springer I. Learning by doing virtually // International Journal of Oral and Maxillofacial Surgery.- 2007. - Vol. 36(5). – pp. 386-390.
5. Arora A., Swords C., Khemani S., Awad Z., Darzi A., Singh A., Tolley N. Virtual reality case-specific rehearsal in temporal bone surgery: A prelim-inary evaluation // International Journal of Surgery – 2014. – Vol.12(2). - pp. 141-145.
6. Francis H. W, Malik M. U., Diaz Voss Varela D. A., Barffour M. A., Chien W. W., Carey J. P., Niparko J. K., Bhatti N. I. Technical skills improve after practice on virtual-reality temporal bone simulator // Laryngoscope. – 2012. – Vol. 122(6). – pp. 1385-1391.
7. Bakr M. M., Massey W. L., Alexander H. Evalution of Simodont haptic 3D virtual reality dental training simulator. International journal of dental clinics. 2013; Vol. 5: 1-6.
Сведения об авторах
– д. м.н., доцент, г.
– магистрант, г.
– к. ф.-м. н., доцент, дата рождения: 18.09.1973 г.
– аспирант, г.
– к. ф.-м. н., доцент, г.
Вид доклада: стендовый
