研究背景外科手术是一种在外科医师或其他专业人员的操作下,通过医疗器械进入人体组织,以外力的方式改变人体组织结构排除病变的治疗方法。由于外科手术是直接在患者身体上完成的,其操作的准确与否直接关系到患者的身心健康。因此外科医师在给患者实施手术前进行相关手术操作的教学培训是非常必要的。传统的手术教学培训主要有两种方式：一是按照“师傅带徒弟”的方式通过患者手术进行的,手术室就是教室,也是特殊的实验室,有经验的医生通过“做一个,看一个,学一个”的方式培训初学者；二是以活体动物、人或动物尸体、仿照人体无机材料合成模型等为实验对象进行相关手术技术的操作培训。前者教学内容是随机的,依赖于病人的出现,有很大的不可预见性,难以进行系统地教学培训,同时这种训练方法势必延长手术时间,增加手术成本,甚至影响手术质量并伴高频率并发病,因而常常遭到患者及家属的抵制；后者存在解剖结构与人体有差异、数量有限、价格昂贵、伦理干涉等问题。以上传统手术训练方式都存在不可重复练习的缺陷,这就使得年青外科医师难以短时间内熟练掌握一些复杂手术的操作技能。随着计算机技术的迅猛发展,上世纪末开始兴起了一项全新的综合信息技术——虚拟现实技术,它是一种为了更好地适应和利用自然而用于认识自然、模拟自然的方法技术。在医学方面,虚拟现实技术主要用于复杂手术的术前规划、手术技术操作的教学培训、预测手术结果等,其中虚拟手术系统已应用于多种外科手术的教学培训并取得了理想的效果,很好地弥补了传统手术教学培训存在的缺陷与不足。虚拟手术系统作为近年来新兴的研究领域,是通过虚拟现实技术与计算机图像学技术相融合,针对临床手术中所涉及的各个操作过程进行实时模拟并对特定手术病灶区域进行三维重建等,给术者提供一个虚拟的手术环境。虚拟手术教学培训是虚拟现实技术在医学仿真训练中最重要的应用,其可提供理想的教学培训平台,受训医生可观察高分辨率三维人体图像,并通过力反馈工作台摸拟触觉,让受训者在切割组织时感受到器械的反作用力,使手术者操作的感觉就像在真实的人体上手术一样,既不会对病人造成生命危险,又可以重现高风险、低概率的手术病例,可供手术培训者反复操作练习。虚拟手术系统实质是让外科医生沉浸于虚拟环境中模拟各项手术操作,其主要包括视觉和触觉两方面的沉浸感。随着高分辨率医疗影像设备(CT,MRI,PET等)的应用和三维可视化技术的发展,视觉沉浸感方面的研究已经较为成熟,能够满足临床使用的要求；然而,由于缺少真实可靠的触觉及力学反馈,触觉沉浸感的应用还有待进一步研究提高。触觉是人体最早形成的肢体感觉,它被认为是掌握优秀临床手术操作技能的根本。因此,真实可靠的触觉反馈在虚拟手术系统中的作用是十分重要的,是虚拟手术系统关键的组成部分。然而,目前大多数虚拟手术系统都存在缺乏真实可靠的触觉反馈或力反馈的问题。虽然国内外已有不少研究机构通过直接或者间接在手术器械末端装配传感器来提供相应的力反馈,但是传感器的灵敏性及延时性将导致其提供力反馈准确性不高。有研究报道称,给虚拟手术系统提供人体各组织相应的手术操作力学参数是解决力反馈缺乏问题最为有效的方法。对临床手术操作中所涉及的力学参数进行测试是获得手术操作各项力学参数最直接、有效的方法。国内外已有学者对活体动物或尸体组织的切割力、缝合力、钻削力等进行了测试。在骨外科领域,为了起到固定骨骼的目的,骨外科医师需要通过使用电钻来钻削孔道。年青医师通过虚拟骨科手术系统进行手术培训时需练习骨骼钻孔操作,故给予虚拟骨科手术系统提供真实可靠的钻削力学参数是十分必要的。目前,国内外还没有为虚拟手术系统力反馈信号输出提供依据的生物骨骼钻削力学参数。为弥补这一空缺,本实验通过对离体股骨干钻削力学参数(进给力与扭矩)的测试与研究,掌握骨骼钻削力学参数与骨骼密度、钻头直径、电钻转速、进给速度的关系,为虚拟骨科手术系统的钻削力反馈信号输出提供依据,提升虚拟骨科手术系统力反馈的真实性与可靠性,促进虚拟骨科手术培训系统的发展。目的：1.构建生物组织机械性能参数采集系统；2.采集离体股骨干不同骨质层和骨段的钻削进给力与扭矩数据,并分析研究其与骨骼密度、钻头直径、电钻转速、进给速度的关系,为虚拟骨科手术系统钻削力反馈信号的输出提供依据。方法：1.生物组织机械性能参数采集系统的构建生物组织机械性能参数采集系统由万能材料试验机、扭矩仪、医用电钻及与之相配的工装夹具和数据采集、分析存储系统构成。2.钻削进给力与扭矩的采集2.1利用生物组织机械性能参数采集系统,使用临床股骨手术常用的d=φ5.0mm钻头以v=30mm/min、50mm/min、70mm/min三种给进速度与n=500r/min、800r/min、1200r/min三种电钻转速,采集3组6具新鲜猪股骨干162个标定位置的钻削进给力F及扭矩M;2.2利用生物组织机械性能参数采集系统,使用临床股骨手术常用的d=φ4.5mm、φ5.0mm、φ5.5mm三种直径钻头以v=10mm/min、20mm/min、30mm/min三种给进速度与n=500r/min、800r/min、1200r/min三种转速,采集新鲜与防腐各9具人尸体股骨干共910个标定位置的钻削进给力F及扭矩M。结果：1.新鲜猪股骨干双侧骨皮质处的钻削进给力最大(Fmax=103.63～142.59N),中间髓腔处的进给力最小接近于零；不同骨段钻削进给力不同,其中股骨干中段的进给力(F4,5,6=124.69N)大于股骨干两端的进给力(F1、2、3、7、8、9=121.84N)；当v:30mm/min、n=1200r/min时,钻削进给力最小Fmin=106.04N；当v=70mm/min、n=500r/min时,钻削进给力最大Fmax=139.84N。2.新鲜猪股骨干双侧骨皮质处的钻削扭矩最大(Mmax=0.1154～1.2605N×m),中间髓腔处的钻削扭矩最小接近于零；不同骨段位置的钻削扭矩M不同,其中股骨干中段的扭矩(M4、5、6=0.7881N×m)大于股骨干两端的扭矩(M1、2、3、7、8、9=0.6657N×m)；当v=30mm/min、n=500r/min时,钻削扭矩最小Mmin=0.1757N×m；当v=70mm/min.n=1200r/min时,钻削扭矩最大Mmax=1.1246N×m.3.新鲜尸体股骨干的钻削进给力F大小波动范围为26.47-68.29N;当d=4.5mm.v=10mm/min.n=1200r/min时,钻削进给力最小Fmin=31.8N:当d=5.5mm.v=30mm/min.n=500r/min时,钻削进给力最大Fmax=65.95N；新鲜尸体股骨干双侧骨皮质处的钻削进给力最大(F4.5max=26.47～55.11N.F5.0max=32.58～61.21N.F5.5max=39.65～68.29N),中间髓腔处的进给力最小接近于零。4.新鲜尸体股骨干的钻削扭矩M大小波动范围为0.11-1.81N×m；当d=4.5mm、v=10mm/min.n=500r/min时,钻削扭矩最小(Mmin=0.14N×m):当d=5.5mm.v=30mm/min.n=1200r/min时,钻削扭矩最大(Mmax=1.74N×m):新鲜尸体股骨干双侧骨皮质处的钻削扭矩最大(M4.5max=0.11～1.32N×m. M5.0max=O.31～1.51N×m、M5.5max=0.61～1.81N×m),中间髓腔处的钻削扭矩最小接近于零。5.不同钻削参数下,钻削进给力预测值与实际测量均值比较相对误差波动范围在2.71%-19.74%之间；钻削扭矩预测值与实际测量均值比较相对误差波动范围在1.57%-17.37%之间。结论：1.通过改装万能材料试验机、数显式扭矩测试仪、医用手持电钻等构建了生物组织机械性能参数采集系统,并通过测试新鲜猪股骨干钻削进给力与扭矩数据验证了其所测的生物组织力学参数真实可靠且具有良好的稳定性,可用于生物组织力学参数采集试验；2.钻头钻削离体股骨干的过程中,钻削进给力及扭矩与骨质结构有着密切关系,股骨干同一横断面各处的骨质硬度不同导致钻削进给力与扭矩不同,其中双侧骨皮质处钻削进给力与扭矩最大,骨髓腔内钻削进给力与扭矩最小接近于零；3.骨骼钻削进给力及扭矩与电钻转速、进给速度、钻头直径、骨骼密度关系密切,其中钻削进给力随电钻转速的增大而减小、随进给速度的增加而增大、随钻头直径的增大而增大、随骨骼密度的增高而增大,钻削扭矩随电钻转速、进给速度、钻头直径、骨骼密度的增大而呈现出增大的趋势；4.利用新鲜尸体股骨干钻削进给力与扭矩测试数据,采用解析线性回归方程的方法,建立了骨骼钻削进给力与扭矩的经验公式：F=77.42X BMD0.317×d1.294×n-0.472×v0.424(N) M=0.056×BMD2.371×d0.539×n0.106×v0.024(N×m)并对经验公式进行了实验验证；5.本实验所采集的离体股骨干钻削进给力与扭矩数据真实可靠,其结果及变化特征可为虚拟骨科手术系统骨骼钻削力反馈输出提供依据；6.通过本实验所建立的的经验公式可准确的预测骨骼钻削进给力与扭矩数值,可为虚拟骨科手术系统骨骼钻削力反馈输出提供依据。