手術(shù)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年來興起的一項(xiàng)綜合信息技術(shù)，它是在計(jì)算機(jī)技術(shù)支持下的一種人工環(huán)境，是人類與計(jì)算機(jī)、復(fù)雜數(shù)據(jù)交互的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所特有的實(shí)時(shí)三維空間表現(xiàn)能力、自然的人機(jī)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(jì)算機(jī)、復(fù)雜數(shù)據(jù)之間枯燥、晦澀和被動(dòng)的關(guān)系，為人機(jī)交互技術(shù)開創(chuàng)了全新的局面。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門實(shí)用技術(shù)，它在航空航天、軍事科學(xué)、機(jī)械工程、設(shè)計(jì)規(guī)劃、教育培訓(xùn)、影視娛樂和醫(yī)學(xué)研究等諸多領(lǐng)域中起著其它相關(guān)技術(shù)無法代替的

2、作用。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的推廣，它必將對人類的生活、生產(chǎn)和發(fā)展方式帶來全面而深刻的沖擊與變革。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)同現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相結(jié)合產(chǎn)生了手術(shù)仿真系統(tǒng)，也稱為虛擬手術(shù)系統(tǒng)，它是一個(gè)融計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像處技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺、傳感器技術(shù)、生物力學(xué)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、科學(xué)計(jì)算可視化等多種技術(shù)為一體的多學(xué)科交叉技術(shù)。手術(shù)仿真系統(tǒng)為用戶提供了一個(gè)直接而又“真實(shí)”的操作方式，用戶不僅可以直接觀察虛擬手術(shù)場景的變化，還可以通過力反饋裝置實(shí)現(xiàn)的虛擬手術(shù)

3、器械同虛擬病體交互，進(jìn)行虛擬手術(shù)操作。所有的這一切就像真實(shí)發(fā)生的過程，然而這只是可重復(fù)、可控的虛擬交互過程，這使得虛擬手術(shù)成為外科醫(yī)生訓(xùn)練、手術(shù)效果預(yù)測和手術(shù)導(dǎo)航等的理想平臺。 本文首先闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和手術(shù)仿真系統(tǒng)的基本原理和構(gòu)成模塊。在此基礎(chǔ)上，對手術(shù)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并提出了相應(yīng)的解決方案。這些關(guān)鍵性技術(shù)包括：實(shí)時(shí)三維場景的繪制、基于力反饋的觸覺繪制、實(shí)時(shí)碰撞檢測技術(shù)、軟組織變形模型、有限元單元網(wǎng)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(shí)時(shí)三維場景繪制方面，本文提出了采用三維體積數(shù)據(jù)變形法將體積數(shù)據(jù)隨軟組織模型的單元一起變形，生成的體積數(shù)據(jù)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(yīng)用到虛擬手術(shù)場景的顯示中，有效地提高了仿真的真實(shí)感和沉浸性。 在觸覺繪制方面，本文重點(diǎn)研究了基于力反饋裝置的觸覺

5、繪制技術(shù)，并將PHANTOM Desktop裝置集成到系統(tǒng)中，用于控制虛擬手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)和同軟組織交互的觸覺繪制。針對手術(shù)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(shù)據(jù)變形的碰撞檢測方法，該方法在變形的體積數(shù)據(jù)中附加了體素所屬的單元信息，根據(jù)該信息可以判斷體素是否在軟組織的某個(gè)單元內(nèi)，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(diǎn)和未來軟組織模型發(fā)展的方向。

6、 在有限元網(wǎng)格自動(dòng)生成方面，本文提出了一種可將體積數(shù)據(jù)空間中的任意形狀的區(qū)域劃分為四面體網(wǎng)格的算法，該算法通過確定每個(gè)結(jié)點(diǎn)同其鄰域中的其它結(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的四面體關(guān)系建立區(qū)域的四面體網(wǎng)格。由于采用了特殊的結(jié)點(diǎn)分布方案，所產(chǎn)生的四面體是正四面體或接近正四面體，生成的網(wǎng)格形態(tài)好。算法的計(jì)算量和網(wǎng)格單元數(shù)量呈線性關(guān)系。并且算法可以從三維體積數(shù)據(jù)直接建立網(wǎng)格，簡化了網(wǎng)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(dòng)態(tài)行為存在計(jì)算量大、穩(wěn)定性差的問題，進(jìn)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(jì)算量，而且計(jì)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(zhuǎn)的軟組織有限元模型，通過把單元壓縮率和單元內(nèi)壓強(qiáng)關(guān)系引入到材料的本構(gòu)方程中，有效地防止單元的逆轉(zhuǎn)畸變。仿真結(jié)果表明該方法不僅提高了變形模擬的穩(wěn)定性，而且忠實(shí)