虛擬手術(shù)中軟組織形變仿真研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)逐漸滲透到了社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究結(jié)合現(xiàn)代醫(yī)學(xué)便產(chǎn)生了虛擬手術(shù)系統(tǒng)。虛擬手術(shù)系統(tǒng)在視覺(jué)與觸覺(jué)感官上為使用者提供手術(shù)場(chǎng)景的真實(shí)再現(xiàn)，可應(yīng)用于外科醫(yī)生培訓(xùn)、手術(shù)效果預(yù)測(cè)和手術(shù)導(dǎo)航等領(lǐng)域。 現(xiàn)在多數(shù)的虛擬手術(shù)系統(tǒng)使用的虛擬人體數(shù)據(jù)是來(lái)自CT、MRI、PET或B超等醫(yī)學(xué)設(shè)備采集的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，有的還用到了虛擬人的數(shù)據(jù)。這樣重構(gòu)出來(lái)的模型雖然能在精度上甚至是色彩上非常地接近真實(shí)的人體

2、數(shù)據(jù)，但要將如此高精度的模型直接用于手術(shù)仿真系統(tǒng)并讓用戶實(shí)時(shí)地進(jìn)行操作是一件十分困難的事情。雖然通過(guò)模型簡(jiǎn)化可解決實(shí)時(shí)性的問(wèn)題，但簡(jiǎn)化過(guò)程往往也會(huì)去掉一些軟組織的關(guān)鍵細(xì)節(jié)，影響了系統(tǒng)的仿真度。另一方面大部分的虛擬手術(shù)系統(tǒng)中，將軟組織簡(jiǎn)單抽象成線彈性模型。但當(dāng)組織的形變較大時(shí)，軟組織會(huì)表現(xiàn)出了明顯的粘彈性，此時(shí)如采用線彈性模型，則形變仿真結(jié)果與實(shí)際形變結(jié)果之間會(huì)出現(xiàn)較大差距，減低了仿真精度。所以說(shuō)現(xiàn)在的虛擬手術(shù)軟組織研究方面最主要的矛盾是

3、軟組織形變的仿真度與計(jì)算實(shí)時(shí)性之間的矛盾。 為了解決這一矛盾，本文中引入了物理引擎PhysX，利用PhysX不但可實(shí)現(xiàn)逼真的形變仿真效果，而且由于物理引擎承擔(dān)了大部分的物理運(yùn)算，所以可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算的實(shí)時(shí)性，在這一基礎(chǔ)上我們使用了較為復(fù)雜的幾何模型和物理模型，以增加系統(tǒng)的仿真度。 在有限元網(wǎng)格自動(dòng)剖分方面。本文介紹了一種四面體網(wǎng)格生成算法，應(yīng)用這一方法可以高效地生成有限元模型，模型可用于實(shí)時(shí)的虛擬手術(shù)系統(tǒng)，更重要的是運(yùn)用這一

4、方法有別于以前從醫(yī)學(xué)設(shè)備（如CT、MRI、PET、B超或X光機(jī)）上所得的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理生成軟組織模型的方法，而且由于PhysX的引入，在保證計(jì)算的實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上，可以大大增加四面體單元的數(shù)量以達(dá)到提高形變模型的真實(shí)感的目的。 在軟組織形變仿真研究方面，使用物理引擎同樣可以將較為復(fù)雜的物理模型應(yīng)用于實(shí)時(shí)的虛擬手術(shù)系統(tǒng)，本文中就使用了粘彈性有限元組織形變仿真算法來(lái)進(jìn)行軟組織的形變仿真。粘彈性有限元模型克服了彈簧振子模型計(jì)算精度