虛擬手術中軟組織建模與碰撞檢測方法研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代醫(yī)學、計算機圖形及虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展,促使了虛擬手術仿真這一全新研究領域應運而生,融合了多個交叉學科,是虛擬現(xiàn)實技術在醫(yī)學領域的一種應用。虛擬手術可為醫(yī)生提供一個虛擬的手術環(huán)境,在視覺與觸覺上為用戶真實再現(xiàn)手術場景,可用于制定手術計劃、術中引導、手術教學、手術操作培訓和術后康復等,因此對該領域的研究在醫(yī)學領域具有廣泛的應用前景。本文圍繞生物軟組織的幾何建模、模型優(yōu)化、物理建模、計算建模、和碰撞檢測等關鍵技術進行研究,其在整個虛擬

2、仿真系統(tǒng)中既相互促進又相互制約。研究內容主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
　　 (1)幾何建模是虛擬手術仿真的基礎,本文重點研究基于Delaunay四面體剖分方法的四面體重建技術。針對該技術中存在的邊界一致性問題,提出一種限定性Delaunay四面體模型重構法。該方法首先在傳統(tǒng)的Delaunay逐點遞增算法上增加了有利于邊界恢復的限定性條件,即邊界邊/面在四面體構建和模型優(yōu)化時被認為是不可修改和刪除的。其次針對建模過程中丟失邊界的問題,

3、將局部變換法和邊界恢復法相結合,在優(yōu)化四面體模型的同時恢復丟失邊界。
　　 (2)四面體模型質量度量準則是評價網(wǎng)格模型質量的標準,一個合理的度量標準對評價模型質量和優(yōu)化模型起到至關重要的作用,但目前對四面體單元質量的度量和評價并沒有公認或絕對的標準。因此本文對常用的四面體網(wǎng)格模型質量度量準則進行總結與分析,并從理論上證明各質量度量準則之間的關系。分析認為在優(yōu)化四面體模型時,不能僅僅采用某一種度量標準來評價網(wǎng)格的質量,應根據(jù)不同的

4、四面體類型,采用不同的準則或將幾種準則聯(lián)合起來對模型質量進行度量更為準確。
　　 (3)Delaunay四面體模型中Sliver單元的存在是影響模型質量和虛擬手術后續(xù)操作的重要因素,通過對薄元Sliver特性、以及節(jié)點抖動法和Delaunay細化法的分析,提出Delaunay四面體Sliver單元混合刪除法。該方法將四面體模型中的Sliver單元分為不同的類型,針對不同的類型采用不同的刪除方法,在消除模型中原Sliver單元的同

5、時不引入新的Sliver單元,解決模型的復雜度和質量問題。
　　 (4)有限元方法因其本身固有的特性而被廣泛應用于變形計算,然而該方法很難達到手術仿真的實時性要求。從虛擬手術仿真響應時間的要求考慮,提出具有體模型、連續(xù)動力學、線彈性四面體有限元模型等技術特征的線彈性混合凝聚有限元模型。該方法選用計算量小、物理模型清晰簡單的線彈性模型描述軟組織的變形特征,并將動態(tài)線彈性模型和半靜態(tài)模型相結合。為降低計算復雜度,采用凝聚技術將有手術

6、區(qū)域進一步細化為可變形區(qū)域和不可變形區(qū)域,并將碰撞檢測技術融入其中,提出一種最小可變形區(qū)域選取方法和數(shù)據(jù)結構,提高軟組織變形仿真的計算速率。
　　 (5)由于自碰撞檢測只可能發(fā)生在軟組織表面,三角形的鄰接關系使得三角形相交檢測的計算量和冗余檢測量相對較大。為了減低碰撞檢測中的冗余檢測數(shù)量以及提高檢測的速率,提出基于可碰撞集的軟組織自碰撞檢測方法。該方法分為粗糙檢測和精確檢測兩個階段,粗糙檢測根據(jù)軟組織的曲率提取可碰撞集,基本幾何