虛擬手術仿真中軟體建模與碰撞檢測技術的研究.pdf

1、虛擬手術技術屬于虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)療方面的分支，它是計算機科學、生物學、醫(yī)學、力學等多學科的交叉研究領域，因其在手術訓練、術前規(guī)劃、術中導航等方面的突出作用，使其在現(xiàn)代醫(yī)學發(fā)展中受到越來越多的重視。在虛擬手術技術的應用領域中，虛擬手術訓練系統(tǒng)占比最大，它利用計算機建立一個虛擬環(huán)境來模擬真實世界中的手術訓練場景，在這個虛擬環(huán)境中受訓醫(yī)護人員通過力交互設備控制手術器械對手術對象施行各種操作，虛擬環(huán)境為受訓醫(yī)護人員提供視覺和觸覺等感官上的逼真反

2、饋。這樣的系統(tǒng)用于醫(yī)務人員的培訓，可以減少培訓費用，提升培訓效果。在這樣的系統(tǒng)中最關鍵同時也是最難的技術就是軟體的物理建模和虛擬環(huán)境中的碰撞檢測技術，這兩項技術左右著虛擬手術訓練系統(tǒng)真實感和實時性兩項重要性能指標，本文針對這兩項技術展開研究。
　　本文首先對軟體物理建模技術進行了研究。傳統(tǒng)虛擬手術訓練系統(tǒng)中軟體物理建模應用最廣的是質點-彈簧（Mass-Spring Model, MSM）與有限元（Finite Element Mo

3、del, FEM）等基于網格的方法。MSM具有實現(xiàn)簡單、處理切割和縫合操作簡單、去除節(jié)點和增加節(jié)點較容易和實時性高的優(yōu)點；但是其存在大變形失真、穩(wěn)定性不好的缺點。FEM擁有仿真形變逼真度高的優(yōu)點；但存在實現(xiàn)復雜度高、計算量大、實時性不佳的缺點。針對上述傳統(tǒng)方法存在的問題，本文將基于形狀匹配的無網格方法應用在軟體的物理建模中，該方法不需要網格劃分，粒子之間不需要連接信息、簡單易實現(xiàn)，在軟體變形實時性、精度、大變形、穩(wěn)定性方面都能得到滿意的

4、效果。其次，對如何提升碰撞檢測的性能進行了一定的探索。根據(jù)不同包圍盒法適用于不同基本圖元相交率下的碰撞情況的特性，在碰撞預檢測階段提出使用Sphere-AABB復合層次包圍盒法，在碰撞詳細檢測階對于海燕等人提出的基于投影降維的用于三角形間的碰撞檢測算法改進后進行應用，實驗結果證明在相交三角形數(shù)量任意數(shù)值下，本文算法相比傳統(tǒng)單一層次包圍盒結合M?ller三角形相交測試的算法都有更高的檢測效率、精確度和穩(wěn)定性。最后，運用上面的物理建模和碰撞