虚拟骨科手术系统建模与仿真

本书以实现虚拟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。本书在基于医疗机器人模型与人体组织模型虚拟环境构建方面、人体软组织建模方面、虚拟模型验证方面、实时仿真实现方面的介绍具有独到之处，解决了虚拟手术系统设计中的关键技术，为该方向的研究者提供了理论基础与新鲜的设计思想。
本书适用于从事虚拟手术、计算机辅助医疗、虚拟样机、医疗机器人等领域教学、科研与开发的教师、学生、研发人员等广大读者。

第1章 虚拟骨科手术系统介绍
虚拟手术在手术规划、新医生培训、外科诊断、定制修复拟合模型、远程医疗等方面所表现出的优势使得相关领域的研究越来越引起研究者的重视，本章通过对虚拟手术历史发展进程的回顾，对虚拟手术系统的组成框架的构建，对建立虚拟骨科手术系统硬件平台和研发背景的介绍，向读者展示了虚拟手术的基本概念，后续各章将更详细地介绍每一部分的具体设计步骤。
1.1 虚拟手术简介及其应用意义
现代科学技术的发展越来越体现出多门学科的交叉和渗透。虚拟手术（virtualsurgery，VS）作为正在发展起来的研究方向，是集医学、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、机械、力学、材料学、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域。其目的是使用计算机技术来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程，在时间段上包括术前、术中、术后，在实现的目的上有手术计划制定、手术排练演习、手术教学、手术技能训练、术中引导手术、术后康复等。
虚拟手术这个研究方向目前正在逐步形成之中，与之相关的一些研究方向主要有医学可视化（medicalvisualization）、医学增强现实（medicalaugmentedreality）、医用机器人（medicalrobot）、手术模拟（surgerysimulation）、图像引导手术（imageguidedsurgery）、计算机辅助手术（computeraidedsurgery，computerassistedsurgery）等。使用虚拟手术（virtualsurgery）这个名词更加能够充分体现虚拟现实（virtualreality）作为计算机图形学在医学治疗过程中的作用，充分体现了人机交互和真实感。国外也有称此方向为虚拟手术室（virtualoperatingroom）或医学虚拟现实（medicalvirtualreality）。
虚拟手术临床应用的意义主要体现在以下几个方面。
1.医疗培训
外科手术培训的途径主要有以下方面：
（1）观看有经验的医生手术，缺点是只有视觉上的效果，不会有身临其境的感觉。
（2）用动物做试验，对于其是否符合道德标准正在被国际社会争论，而且价格较高，一个试验品只能用于一次培训。
（3）用尸体做试验，价格昂贵。
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