微創(chuàng)虛擬手術中的血管建模與碰撞檢測算法研究.pdf

1、微創(chuàng)虛擬血管手術仿真系統(tǒng)結合了計算機圖形學、現(xiàn)代醫(yī)學和虛擬仿真技術，通過對微創(chuàng)血管手術的模擬，為很多臨床醫(yī)生和實習生再現(xiàn)出了一個真實的手術場景，不但提高了用戶的手術技能，同時大大減少手術誤差。在保證安全的基礎上，微創(chuàng)虛擬手術系統(tǒng)應為手術過程提供足夠真實性的同時，還應使醫(yī)生能自然和本能地控制工具的運動，充分利用其固有的感覺和反應能力，發(fā)揮其熟練手術技能。這就要求系統(tǒng)具有高臨場感。為了解決仿真逼真性低、行為模型不夠完善以及實時性和準確性相矛

2、盾的問題，本文以腹主動脈血管為研究對象，對微創(chuàng)虛擬血管手術仿真系統(tǒng)中的三維模型重建、幾何模型的優(yōu)化、物理形變模型仿真、實時碰撞檢測等關鍵技術進行了研究，研究主要內(nèi)容概括如下:
　　(1)血管的三維幾何構建是微創(chuàng)虛擬血管手術系統(tǒng)的基礎，本文針對血管造影圖像對比度不均衡和血管邊界模糊的問題，采用Mimics15.0（Materialise公司，比利時）軟件對血管CT數(shù)據(jù)進行了分割、編輯和三維重建，同時對模型進行了相應的優(yōu)化和檢驗。通過

3、Mimics軟件，采用混合自動分割的方式將血管組織分割出來，并通過空腔填充解決因造影圖像對比度不均勻造成的血管蒙版信息丟失的問題，同時，通過蒙版編輯對血管進行邊界增強并去噪。
　　(2)針對血管壁復雜的組織構成，本文采用基于四面體網(wǎng)格的粘彈性有限元模型來模擬血管的形變。由于有限元模型在形變過程中需要進行大量的計算，在保證腹主動脈血管形變模型的精度的同時，結合真實血管的形變數(shù)據(jù)，本文將血管分為線性彈性形變部分和非線性形變部分。同時，

4、本文利用Mimics軟件對有限元的四面體網(wǎng)格進行分析和優(yōu)化，獲得高質(zhì)量的體網(wǎng)格。
　　(3)血管的有限元模型比較復雜，致使其碰撞檢測計算量和計算時間相對較大。為了減少相交測試時間，提高檢測精度，本文提出了基于軸向包圍盒(Aligned AxisBounding Box，AABB)和離散方向包圍盒(Discrete Orientation Polytopes，K-DOPs)的混合雙層包圍盒碰撞檢測算法。該方法分為粗糙檢測和精確檢測兩

5、個階段，上層（外層）采用AABB快速排出不可能發(fā)生碰撞檢測的幾何集，下層（內(nèi)層）采用K-DOPs較精確地測試可能發(fā)生碰撞的幾何集并檢測出碰撞點。
　　本文通過模擬微創(chuàng)虛擬血管手術過程中血管與手術刀相接觸的場景，對血管的形變模型和碰撞檢測進行了檢驗。實驗表明，通過Mimics進行三維重建和模型優(yōu)化，不但提高了重建模型的精度，還極大地提高了建模的速度。改進的血管形變模型以及用Mimics優(yōu)化后的體網(wǎng)格，不但減少了有限元形變求解計算量，