虛擬手術(shù)中流血效果模擬研究.pdf

1、虛擬手術(shù)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的新興交叉研究領(lǐng)域，其涉及到了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理、生物力學(xué)和力反饋技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)。虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)是醫(yī)學(xué)教育和術(shù)前規(guī)劃的重要工具，其根據(jù)現(xiàn)有的病人資料利用計(jì)算機(jī)建模和仿真技術(shù)為醫(yī)生提供真實(shí)而準(zhǔn)確的虛擬環(huán)境，減少了手術(shù)培訓(xùn)費(fèi)用。為了方便后來(lái)研究人員可以快速地投入到虛擬手術(shù)領(lǐng)域中進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們結(jié)合自己的研究成果搭建了一些通用的虛擬手術(shù)框架，如Spring，SOFA和G

2、iPSi等，其包含了搭建虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)所需的基本算法和模塊，如人機(jī)交互、碰撞檢測(cè)、組織建模、形變和切割模擬、流體引擎、圖形引擎、聲音引擎和力反饋等，利用這些框架開(kāi)發(fā)人員可以搭建針對(duì)特定手術(shù)過(guò)程的仿真系統(tǒng)。
　　視覺(jué)反饋是虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)的重要交互方式。系統(tǒng)通過(guò)提供具有真實(shí)感和實(shí)時(shí)性的視覺(jué)反饋可以增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，提高訓(xùn)練的效果。而血液是人體的重要組成部分，在手術(shù)過(guò)程中器官或者皮膚出血是最常見(jiàn)的現(xiàn)象，因此，流血模擬是虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)中

3、的重要組成部分。
　　本文在Navier-Stokes方程的基礎(chǔ)上加入溫度傳播方程作為血液流動(dòng)的控制方程。采用光滑粒子動(dòng)力學(xué)方法研究了切割流血和血液在器官內(nèi)流動(dòng)與交互的模擬，并通過(guò)構(gòu)造人體出血量模型來(lái)描述流血狀態(tài)下人體的生理變化。模擬過(guò)程可表示為多個(gè)獨(dú)立的時(shí)間片，在每個(gè)時(shí)間片，血流采用粒子進(jìn)行離散表示，通過(guò)求解血液流動(dòng)控制方程得到粒子的加速度，然后采用Leap-Frog數(shù)值計(jì)算方法更新粒子的位移，計(jì)算過(guò)程中只需采用中間變量對(duì)前一時(shí)

4、刻粒子的狀態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)。
　　流血模擬過(guò)程包括初始化系統(tǒng)和循環(huán)計(jì)算兩大部分。在初始化系統(tǒng)部分，需要讀入器官切割后傷口信息或者血管模型文件信息，對(duì)血液和人體出血量模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，初始化血液粒子狀態(tài)，完成GPU端內(nèi)存分配和數(shù)據(jù)傳遞。在循環(huán)計(jì)算中，需要求解血液流動(dòng)控制方程得到血液粒子當(dāng)前時(shí)刻的位移、溫度和受力等狀態(tài)，并計(jì)算與器官組織的交互力，當(dāng)粒子的溫度達(dá)到閾值時(shí)需要強(qiáng)制修改粒子的屬性來(lái)模擬血液的凝固效果，計(jì)算完成后利用圖形繪制接