手術仿真系統的關鍵技術研究.pdf

1、虛擬現實技術是近年來興起的一項綜合信息技術，它是在計算機技術支持下的一種人工環(huán)境，是人類與計算機、復雜數據交互的技術。虛擬現實技術所特有的實時三維空間表現能力、自然的人機交互操作方式、給人帶來的身臨其境感受，從根本上改變了人與計算機、復雜數據之間枯燥、晦澀和被動的關系，為人機交互技術開創(chuàng)了全新的局面。虛擬現實技術是一門實用技術，它在航空航天、軍事科學、機械工程、設計規(guī)劃、教育培訓、影視娛樂和醫(yī)學研究等諸多領域中起著其它相關技術無法代替的

2、作用。隨著虛擬現實技術的發(fā)展和應用范圍的推廣，它必將對人類的生活、生產和發(fā)展方式帶來全面而深刻的沖擊與變革。虛擬現實技術同現代醫(yī)學相結合產生了手術仿真系統，也稱為虛擬手術系統，它是一個融計算機圖形學、計算機圖像處技術、計算機視覺、傳感器技術、生物力學、現代醫(yī)學、科學計算可視化等多種技術為一體的多學科交叉技術。手術仿真系統為用戶提供了一個直接而又“真實”的操作方式，用戶不僅可以直接觀察虛擬手術場景的變化，還可以通過力反饋裝置實現的虛擬手術

3、器械同虛擬病體交互，進行虛擬手術操作。所有的這一切就像真實發(fā)生的過程，然而這只是可重復、可控的虛擬交互過程，這使得虛擬手術成為外科醫(yī)生訓練、手術效果預測和手術導航等的理想平臺。 本文首先闡述了虛擬現實技術和手術仿真系統的基本原理和構成模塊。在此基礎上，對手術仿真系統的關鍵性技術進行了深入的研究，并提出了相應的解決方案。這些關鍵性技術包括：實時三維場景的繪制、基于力反饋的觸覺繪制、實時碰撞檢測技術、軟組織變形模型、有限元單元網格的

4、生成、大變形下的軟組織快速有限元模型、軟組織近似不可壓縮模型和血管微創(chuàng)介入過程的仿真等。 在實時三維場景繪制方面，本文提出了采用三維體積數據變形法將體積數據隨軟組織模型的單元一起變形，生成的體積數據同軟組織的變形保持一致，從而解決了體繪制不能反映軟組織變形的問題。另外本文研究了立體視覺的顯示方式與原理，并將之應用到虛擬手術場景的顯示中，有效地提高了仿真的真實感和沉浸性。 在觸覺繪制方面，本文重點研究了基于力反饋裝置的觸覺

5、繪制技術，并將PHANTOM Desktop裝置集成到系統中，用于控制虛擬手術器械的運動和同軟組織交互的觸覺繪制。針對手術器械同軟組織之間的碰撞檢測問題，本文提出了基于體積數據變形的碰撞檢測方法，該方法在變形的體積數據中附加了體素所屬的單元信息，根據該信息可以判斷體素是否在軟組織的某個單元內，從而判斷體素所在空間是否同軟組織發(fā)生了碰撞。 在軟組織變形模型方面，本文研究了各種變形模型，并指出各自優(yōu)缺點和未來軟組織模型發(fā)展的方向。

6、 在有限元網格自動生成方面，本文提出了一種可將體積數據空間中的任意形狀的區(qū)域劃分為四面體網格的算法，該算法通過確定每個結點同其鄰域中的其它結點所構成的四面體關系建立區(qū)域的四面體網格。由于采用了特殊的結點分布方案，所產生的四面體是正四面體或接近正四面體，生成的網格形態(tài)好。算法的計算量和網格單元數量呈線性關系。并且算法可以從三維體積數據直接建立網格，簡化了網格創(chuàng)建的過程。 針對軟組織的大變形，本文研究了St． Venant-K

7、irchhoff彈性模型，指出其使用顯式積分法來模擬軟組織變形的動態(tài)行為存在計算量大、穩(wěn)定性差的問題，進而提出了一種通過共軛梯度法來模擬粘彈性軟組織變形能量下降過程的算法，不僅有效地減小了仿真的計算量，而且計算穩(wěn)定性良好。 針對軟組織的近似不可壓縮性，本文提出了一種抗單元逆轉的軟組織有限元模型，通過把單元壓縮率和單元內壓強關系引入到材料的本構方程中，有效地防止單元的逆轉畸變。仿真結果表明該方法不僅提高了變形模擬的穩(wěn)定性，而且忠實