虛擬手術(shù)中軟組織形變與切割技術(shù)研究.pdf

1、傳統(tǒng)手術(shù)訓(xùn)練使用人類的尸體、動物或橡膠人體模型作為訓(xùn)練對象，存在著尸源短缺、成本昂貴、與真實(shí)人體組織特性差別較大及迫害動物等諸多局限和問題，計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展使得數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為解決此類問題的重要手段，研究人員開始探索將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)護(hù)人員的外科手術(shù)培訓(xùn)中，通過建立集成有視覺顯示、力覺再現(xiàn)、聽覺、嗅覺等多感知的虛擬手術(shù)環(huán)境，給予醫(yī)生逼真的手術(shù)場景，實(shí)現(xiàn)手術(shù)培訓(xùn)教學(xué)、術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中輔助支持、術(shù)后分析、復(fù)雜手術(shù)的反復(fù)演練等全面訓(xùn)

2、練醫(yī)護(hù)人員的目的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的結(jié)合為高科技醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的空間，也使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)面臨一個嶄新而艱巨的挑戰(zhàn)。
　　 在實(shí)際手術(shù)中，醫(yī)生主要依靠視覺與觸覺反饋信息進(jìn)行手術(shù)操作，因此虛擬手術(shù)系統(tǒng)大都是針對視覺與觸覺兩大方面的仿真研究，通過視覺反饋直觀地呈現(xiàn)出逼真的虛擬手術(shù)場景及操作對象，利用觸覺反饋感受虛擬環(huán)境中力的作用并對操作作出及時、正確的判斷。本文也是從視覺與觸覺反饋兩方面出發(fā)，選擇典型的且難度較大的人體

3、軟組織器官作為研究對象，緊緊圍繞虛擬手術(shù)中具有代表性的形變與切割兩項關(guān)鍵技術(shù)展開深入的研究，主要工作如下：
　　 首先，針對圖像的手動分割工作量大及自動分割精度不高的問題，提出了將手動分割與自動分割相結(jié)合的醫(yī)學(xué)圖像分割方式，重建了具有人體解剖結(jié)構(gòu)特征的胃組織及肝臟組織的幾何模型，并對其進(jìn)行視覺渲染與紋理映射，從而得到了真實(shí)度較高的人體軟組織模型；對力反饋技術(shù)及反饋力的計算與測試方法進(jìn)行了研究，提出了基于PVDF(Polyviny

4、lidene Fluoride，聚偏二氟乙烯)壓電薄膜傳感器的反饋力測試方法，并應(yīng)用于軟組織形變與切割模擬中反饋力的測試上。
　　 其次，針對醫(yī)學(xué)觸診的特點(diǎn)及現(xiàn)有形變仿真建模方法的不足，提出了可變區(qū)域的局部質(zhì)點(diǎn)-彈簧/阻尼器(ALMSDM)模型，該模型具有位置可變及區(qū)域可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，改善了以往文獻(xiàn)中局部建模方法區(qū)域限定及全局的面模型形變恢復(fù)能力差的問題，并在虛擬軟組織面模型與體模型中得到了較好的應(yīng)用。從系統(tǒng)實(shí)時性的角度，針對AL

5、MSDM在面模型與體模型中的應(yīng)用，分別提出了頂點(diǎn)法向量的局部更新思想與預(yù)計算策略，使系統(tǒng)的實(shí)時性得到了較大的改善。從形變恢復(fù)能力、反饋力分析及實(shí)時性評測三方面對面模型與體模型的ALMSDM進(jìn)行了評價，進(jìn)而驗(yàn)證所提算法的可行性與通用性。
　　 再次，創(chuàng)新性地將無網(wǎng)格法理論應(yīng)用于虛擬手術(shù)的形變建模中，在對質(zhì)點(diǎn)積分無網(wǎng)格伽遼金法進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，針對虛擬軟組織形變多為大變形的特點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的質(zhì)點(diǎn)積分無網(wǎng)格伽遼金法，并采用二維

6、梁理論對所建模型進(jìn)行了理論驗(yàn)證；然后基于改進(jìn)算法建立了虛擬軟組織形變仿真的靜態(tài)模型與動態(tài)模型，在靜態(tài)模型仿真中采用靜態(tài)位移累加的方式實(shí)現(xiàn)了動態(tài)形變過程的模擬，與動態(tài)模型相比，其速度很快，但由于缺少中間連續(xù)變化的過程使得該模型計算精度不高；動態(tài)模型的形變仿真計算量相對較大，本文綜合考慮了動態(tài)模型的特點(diǎn)及虛擬手術(shù)實(shí)時性能的要求對模型進(jìn)行了近似求解。仿真實(shí)驗(yàn)與對比分析表明，無網(wǎng)格法在軟組織形變仿真中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可靠性，避免了基于網(wǎng)格建

7、模方法在模擬大形變時容易出現(xiàn)網(wǎng)格扭曲、鎖死等問題，解決了虛擬軟組織大變形時誤差大的問題；最后采用PVDF傳感器對動態(tài)模型的實(shí)際反饋力進(jìn)行測試，并與反饋力模型計算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。
　　 本文最后對虛擬手術(shù)切割算法進(jìn)行了研究，針對現(xiàn)有切割算法存在的問題，提出了切口邊界獨(dú)立繪制的方案，即切口邊界的繪制不再依賴于網(wǎng)格破裂后的拓?fù)渲亟M；結(jié)合切口的特點(diǎn)及樣條方法的優(yōu)越性質(zhì)，提出新穎的基于Bézier曲線的切口再現(xiàn)算法，解決了切口繪制