虛擬手術(shù)中的軟組織建模與應(yīng)用.pdf

1、虛擬手術(shù)仿真(Virtual Surgery Simulation)是專門(mén)用來(lái)模擬在手術(shù)過(guò)程可能遇到的各種現(xiàn)象的虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)應(yīng)用系統(tǒng)。其研究?jī)?nèi)容包括對(duì)醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的處理與可視化、虛擬人體器官在虛擬手術(shù)器械作用下的各種變化的模擬及對(duì)操作人員的各種感官反饋(如視覺(jué)反饋和力反饋等)的模擬等，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的重要應(yīng)用。虛擬手術(shù)仿真研究涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、彈性力學(xué)、生物力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料學(xué)、機(jī)器人

2、學(xué)、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域，通過(guò)上述領(lǐng)域知識(shí)實(shí)現(xiàn)組織器官對(duì)象的幾何模型、物理/計(jì)算模型、碰撞檢測(cè)、對(duì)象實(shí)時(shí)變形(響應(yīng)、破裂等)、手術(shù)過(guò)程真實(shí)感繪制、力反饋等功能。其中人體軟組織器官的幾何/物理/計(jì)算建模是實(shí)現(xiàn)虛擬手術(shù)仿真的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于跨學(xué)科的特點(diǎn)，人體軟組織器官的幾何/物理/計(jì)算建模研究與其它相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)相比相對(duì)滯后，己經(jīng)成為該類系統(tǒng)研究和應(yīng)用的瓶頸。 本文主要根所虛擬手術(shù)仿真的特點(diǎn)，提出了一種新的混合建模方法。首先在幾何模型中

3、，在面模型上研究了從三維體數(shù)據(jù)直接生成等值面的三維重建面方法——移動(dòng)立方（Marching Cubes）法，然后又對(duì)生成的面模型使用了三角形刪除（Triangle Decimation）算法以進(jìn)行簡(jiǎn)化以減少運(yùn)算量；而在體模型上則使用了以一種全自動(dòng)方法生成的物體的骨架，使用骨架作為物體的體模型。而在物理模型中，對(duì)面模型使用質(zhì)點(diǎn)彈簧模型進(jìn)行建模而對(duì)體模型使用了桿狀有限元進(jìn)行建模，達(dá)到實(shí)時(shí)繪制與準(zhǔn)確性的有效平衡。本文還研究了多種碰撞檢測(cè)模型，

4、包圍球、AABB包圍盒、OBB包圍盒、K-DOPs包圍盒并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)并提出了我們的基于骨架的包圍球碰撞檢測(cè)模型。同時(shí)本文還介紹了基于本文模型的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)的方法、遇到的問(wèn)題等。本文還介紹了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)效果，列出了部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。 本文的特點(diǎn)在于，綜合考慮了虛擬手術(shù)仿真的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求，提出了基于骨架的混合模型。在面模型上對(duì)傳統(tǒng)的等值面進(jìn)行了三角形刪除，不僅減少了計(jì)算量還使表面更