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。
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前言
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 诚验结论 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 1?3
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
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