基于CT圖像的虛擬手術(shù)軟組織建模方法研究.pdf

1、虛擬手術(shù)作為一個新興的研究方向，是集醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、光學(xué)工程、材料科學(xué)、計算機技術(shù)、機械力學(xué)等諸多學(xué)科為一體的交叉研究領(lǐng)域。同時，作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)和醫(yī)學(xué)研究結(jié)合的重要成果，虛擬手術(shù)也是當(dāng)今信息領(lǐng)域研究的熱點問題之一。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)手術(shù)的發(fā)展正在由傳統(tǒng)的經(jīng)驗手術(shù)向精確手術(shù)轉(zhuǎn)變，由大面積的開放式手術(shù)向微創(chuàng)手術(shù)轉(zhuǎn)變，對虛擬手術(shù)系統(tǒng)的人機交互性能特別是用戶的視覺和觸覺沉浸感方面都提出了新的更高的要求。同時，計算機技術(shù)特別是計算機硬件性能的飛速發(fā)展

2、，已經(jīng)為虛擬手術(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺提供了良好的硬件支撐。因此，從軟環(huán)境的角度，人體軟組織模型作為虛擬手術(shù)系統(tǒng)的操作對象，決定了用戶的視覺臨場感和觸覺真實感的優(yōu)劣，進而成為了虛擬手術(shù)領(lǐng)域的一個重要研究課題。
　　CT圖像作為一種高分辨率的光學(xué)數(shù)字化圖像，為軟組織的結(jié)構(gòu)和密度提供了一種精確的二維數(shù)字化表達形式，并成為當(dāng)前醫(yī)學(xué)最重要的圖像數(shù)據(jù)之一。本文以提高虛擬手術(shù)系統(tǒng)用戶的視覺臨場感和觸覺真實感為目標(biāo)，以軟組織的生物學(xué)特性為依據(jù)，針對影響

3、虛擬手術(shù)系統(tǒng)中人體軟組織建模的高效性、真實性和準(zhǔn)確性的關(guān)鍵技術(shù)，在數(shù)字圖像CT值的表達下對人體軟組織表面幾何模型的構(gòu)建、表面質(zhì)點體離散化方法優(yōu)化和物理建模方法展開研究。根據(jù)生物組織的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系分別建立軟組織的物理模型和力學(xué)模型，并根據(jù)真實軟組織生物的力學(xué)參數(shù)確定模型相關(guān)參數(shù)，提高模型的物理準(zhǔn)確性和幾何真實性，從而增強用戶的視覺臨場感和觸覺真實感。
　　本文的主要工作和創(chuàng)新如下：
　?。?）深入研究了目前主要的人體軟組織建

4、模方法,詳細(xì)闡述了有限元方法和質(zhì)點彈簧模型兩種模型的基本問題，并分析了兩種模型各自的優(yōu)缺點。
　?。?）通過生物力學(xué)實驗測量真實軟組織生物力學(xué)特性參數(shù)。對真實的豬肝臟軟組織通過生物力學(xué)軸向拉伸和軸向壓縮實驗，測量肝臟軟組織的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，為建立模型提供依據(jù)和基礎(chǔ)。
　?。?）提出了一種基于CT圖像的軟組織三維表面重建算法。以最為常見的CT圖像為數(shù)據(jù)源，利用基于自適應(yīng)步長的表面輪廓離散算法對圖像逐層分析，提取軟組織輪廓特征點

5、；然后使用Delaunay三角剖分原則對軟組織表面進行三維重構(gòu)，并以表面離散點“彎曲度”為依據(jù)，對三維重構(gòu)網(wǎng)格進行優(yōu)化，以最小的網(wǎng)格數(shù)量表現(xiàn)軟組織三維特征。
　?。?）提出了一種新的基于表面三角剖分的軟組織體離散化算法。該算法不僅考慮到了表面質(zhì)點的分布情況，而且結(jié)合質(zhì)點法向量投影，使表面質(zhì)點較好的反映了模型內(nèi)部體特征分量，根據(jù)不同的幾何形狀自適應(yīng)的調(diào)整其質(zhì)量分布，較客觀的反映了模型的整體質(zhì)量分布特性。最后，對三種不同幾何形狀的模型