虛擬手術中軟組織形變仿真研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，計算機應用技術逐漸滲透到了社會生活的各個領域，對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的研究結合現(xiàn)代醫(yī)學便產生了虛擬手術系統(tǒng)。虛擬手術系統(tǒng)在視覺與觸覺感官上為使用者提供手術場景的真實再現(xiàn)，可應用于外科醫(yī)生培訓、手術效果預測和手術導航等領域。 現(xiàn)在多數(shù)的虛擬手術系統(tǒng)使用的虛擬人體數(shù)據(jù)是來自CT、MRI、PET或B超等醫(yī)學設備采集的醫(yī)學數(shù)據(jù)，有的還用到了虛擬人的數(shù)據(jù)。這樣重構出來的模型雖然能在精度上甚至是色彩上非常地接近真實的人體

2、數(shù)據(jù)，但要將如此高精度的模型直接用于手術仿真系統(tǒng)并讓用戶實時地進行操作是一件十分困難的事情。雖然通過模型簡化可解決實時性的問題，但簡化過程往往也會去掉一些軟組織的關鍵細節(jié)，影響了系統(tǒng)的仿真度。另一方面大部分的虛擬手術系統(tǒng)中，將軟組織簡單抽象成線彈性模型。但當組織的形變較大時，軟組織會表現(xiàn)出了明顯的粘彈性，此時如采用線彈性模型，則形變仿真結果與實際形變結果之間會出現(xiàn)較大差距，減低了仿真精度。所以說現(xiàn)在的虛擬手術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算實時性之間的矛盾。 為了解決這一矛盾，本文中引入了物理引擎PhysX，利用PhysX不但可實現(xiàn)逼真的形變仿真效果，而且由于物理引擎承擔了大部分的物理運算，所以可以實現(xiàn)計算的實時性，在這一基礎上我們使用了較為復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)格自動剖分方面。本文介紹了一種四面體網(wǎng)格生成算法，應用這一方法可以高效地生成有限元模型，模型可用于實時的虛擬手術系統(tǒng)，更重要的是運用這一

4、方法有別于以前從醫(yī)學設備（如CT、MRI、PET、B超或X光機）上所得的醫(yī)學數(shù)據(jù)經(jīng)過簡化處理生成軟組織模型的方法，而且由于PhysX的引入，在保證計算的實時性的基礎上，可以大大增加四面體單元的數(shù)量以達到提高形變模型的真實感的目的。 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雜的物理模型應用于實時的虛擬手術系統(tǒng)，本文中就使用了粘彈性有限元組織形變仿真算法來進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算精度