分析掘削力モデルとGPUに加盟した触覚ベースのシミュレーションフレームワークマイクロインプラント手術トレーニングのパイロット掘削手順

マイクロインプラントの配置は、臨床歯科における一般的ではあるが比較的新しい外科的処置です。この論文では、歯根を損傷することなく、触覚によってこの重要な手順を成功裏に実行するために矯正歯科医を訓練するために、マイクロインプラント手術のパイロット掘削のための触覚ベースのシミュレーションフレームワークを紹介します。不均一な口腔組織をモデル化するために、ボクセルベースのアプローチが採用されました。前処理パイプラインは、イメージングノイズを減らし、セグメンテーションを滑らかにし、患者固有のデータから解剖学的に正しい口腔モデルを構築するように設計されました。物理ベースの触覚フィードバックを提供するために、金属切断原理に基づく分析的掘削力モデルが開発され、ボクセルベースのアプローチに適応しました。リアルタイムの応答を改善するために、グラフィックプロセッシングユニットの並列コンピューティングパワーは、データ構造設計、アルゴリズムの並列化、グラフィックメモリの利用のための追加の努力を通じて活用されます。提案されたフレームワークに基づいてプロトタイプシステムが開発されました。予備的な結果は、このフレームワークを使用することにより、サイクル時間が短縮された異なる組織層で適切な掘削力をレンダリングできる一方で、視覚ディスプレイも強化できることを示しています。

The placement of micro-implants is a common but relatively new surgical procedure in clinical dentistry. This paper presents a haptics-based simulation framework for the pilot drilling of micro-implants surgery to train orthodontists to successfully perform this essential procedure by tactile sensation, without damaging tooth roots. A voxel-based approach was employed to model the inhomogeneous oral tissues. A preprocessing pipeline was designed to reduce imaging noise, smooth segmentation results and construct an anatomically correct oral model from patient-specific data. In order to provide a physically based haptic feedback, an analytical drilling force model based on metal cutting principles was developed and adapted for the voxel-based approach. To improve the real-time response, the parallel computing power of Graphics Processing Units is exploited through extra efforts for data structure design, algorithms parallelization, and graphic memory utilization. A prototype system has been developed based on the proposed framework. Preliminary results show that, by using this framework, proper drilling force can be rendered at different tissue layers with reduced cycle time, while the visual display has also been enhanced.