虛擬肝臟手術(shù)中軟組織切割模擬技術(shù)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，越來越多的高新尖端技術(shù)被應(yīng)用到外科臨床手術(shù)中。隨著而來的問題是外科醫(yī)生的技能培訓(xùn)越來越復(fù)雜，訓(xùn)練成本越來越高。上世紀(jì)九十年代開始興起的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，給解決這個問題提供了一個新的途徑，通過構(gòu)建虛擬手術(shù)系統(tǒng)來訓(xùn)練醫(yī)生的技能，達到節(jié)約訓(xùn)練成本，縮短訓(xùn)練時間的目的。
　　虛擬手術(shù)系統(tǒng)最初僅僅是用作輔助醫(yī)生進行手術(shù)的多媒體技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，計算機功能越來越強大，人們開始嘗試用虛擬手術(shù)系統(tǒng)來模擬仿真現(xiàn)實中的手術(shù)，以用來

2、訓(xùn)練醫(yī)生和預(yù)演手術(shù)實例。目前做得比較成功的大都是虛擬內(nèi)窺鏡手術(shù)或是虛擬顯微外科手術(shù)，但類似于肝臟手術(shù)這類大型的外科手術(shù)在工程實現(xiàn)上卻并不成熟。主要原因在于沒有合適地模擬交互設(shè)備以及對于復(fù)雜的軟組織器官沒有有效的模擬仿真手段。
　　本課題針對上述問題，對軟組織的形變切割等問題進行了深入的研究，并搭建了一個由兩臺力反饋設(shè)備和一臺PC機構(gòu)成虛擬肝Ⅶ段切除手術(shù)系統(tǒng)。人體的軟組織和器官種類豐富，物理性質(zhì)都不盡相同。所以我們在進行針對軟體的形

3、變建模時不能使用單一的模型，必須針對不同特性的組織使用不同的方法進行建模。最后通過力反饋設(shè)備和PC機同用戶進行觸覺和視覺上的交互。目前主流的針對軟體的形變方法主要分為三大類：彈簧振子方法，有限元方法以及基于位置的形變模擬方法。本課題對彈簧振子方法和基于位置的形變模擬方法做了較為深入的研究。本文的主要工作如下：
　　1）針對不同物理特性的軟組織，設(shè)計了分別基于這兩種方法的改進的模擬仿真方法。并提出了一種基于Lattice架構(gòu)的異構(gòu)模

4、型，有效地解決了傳統(tǒng)方法在仿真模擬時性能與效果的矛盾。
　　2）在軟組織切割問題上，我們利用上述基于Lattice架構(gòu)的異構(gòu)模型，設(shè)計了一種高效的切割算法。創(chuàng)新地利用體元的復(fù)制來代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法中體元的細(xì)分，從而避免了在多刀切割時可能發(fā)生的碎片化問題，有效避免了在模擬過程中模型質(zhì)量的退化。
　　3）針對傳統(tǒng)的Delaunay三角化算法的兩個主要缺點，設(shè)計了一種改進的自適應(yīng)Delaunay三角化算法，并將其應(yīng)用在切割模擬中的傷口重