虛擬手術(shù)中建模與仿真關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、虛擬手術(shù)是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)融合了計算機(jī)圖形學(xué)、傳感器技術(shù)、機(jī)器人學(xué)、生物力學(xué)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)而產(chǎn)生的多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域,作為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中計算機(jī)輔助醫(yī)療的一個重要組成部分,虛擬手術(shù)在手術(shù)方案的制定、手術(shù)導(dǎo)航、遠(yuǎn)程醫(yī)療、手術(shù)教學(xué)以及手術(shù)訓(xùn)練等方面有著越來越重要的作用。由于人體組織的多樣性和復(fù)雜的物理特性以及虛擬手術(shù)對真實感、沉浸感、交互感的高要求,虛擬手術(shù)中建模與仿真的關(guān)鍵技術(shù)則一直是這一領(lǐng)域研究的難點與熱點。
　　 本文在對現(xiàn)有各種虛擬手

2、術(shù)相關(guān)算法進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上,重點研究了虛擬手術(shù)建模仿真中的三項關(guān)鍵技術(shù):三維建模、碰撞檢測和切割仿真。分別討論了這三種關(guān)鍵技術(shù)目前常用的算法,其中三維建模從幾何建模、物理建模、計算建模三個步驟來進(jìn)行,研究了每種建模方式的幾種典型模型,并進(jìn)行比較分析。碰撞檢測是虛擬手術(shù)系統(tǒng)中影響真實感和沉浸感的重要因素,主要方法有空間分解法和層次包圍盒法,在三維建模和碰撞檢測的基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬切割仿真,主要方法有去除法和分裂法。
　　 本文以真

3、實人體組織外形結(jié)構(gòu)為依據(jù).利用3DS Max軟件,對人體的胃部組織、腎部組織以及手臂組織進(jìn)行了三維建模,并保存為3DS格式文件,讀入到OpenGL中,進(jìn)行交互控制。通過對這三種模型的線彈性模型的有限元分析給出其計算模型,然后分別對胃部模型、腎部模型、手臂模型進(jìn)行拉伸和擠壓處理,并給出其變形結(jié)果。在分析比較了幾種包圍盒的構(gòu)造和性能上的差以后,本文選擇了比較靈活和應(yīng)用比較成熟的k-Dops包圍盒進(jìn)行碰撞檢測。本文構(gòu)造了胃部、腎部以及手臂的幾

4、何模型的k-Dops包圍盒樹,分析了不同碰撞情況下的基本幾何元素的相交測試情況,實現(xiàn)了其與虛擬手術(shù)刀的碰撞檢測,并研究了模型變形后的包圍盒樹的更新情況。最后,在胃部、腎部以及手臂的幾何模型和計算模型以及碰撞檢測的基礎(chǔ)上,對三種組織模型分別進(jìn)行了不同深度的切割仿真,本文用分裂法進(jìn)行切割仿真,定義了四面體單元與刀鋒在不同碰撞情況下產(chǎn)生的分裂點和非分裂點,分析了虛擬手術(shù)刀與三維模型在不同的碰撞情況時基本幾何元素的受力變形和分裂,并分別用虛擬手