生物軟組織建模仿真方法研究.pdf

1、隨著計算機科學與技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)學仿真已經(jīng)從單一的視覺仿真逐漸向物理仿真和生理仿真發(fā)展。以虛擬手術(shù)仿真為代表的基于物理的醫(yī)學仿真的基礎問題是生物軟組織建模仿真，其主要任務是生物軟組織的幾何建模、物理建模、變形計算、碰撞檢測、交互操作、視覺繪制、觸覺反饋等。文章首先對這些關(guān)鍵技術(shù)和應用情況做了一個比較全面的概述，指出當前研究的焦點是折中仿真的實時性和真實性。文章主要以廈門大學的國家自然基金項目一虛擬眼建模仿真課題為依托，以白內(nèi)障手術(shù)仿真

2、、肝臟手術(shù)仿真為背景，系統(tǒng)的研究了生物軟組織建模仿真的方法，并以福建省自然基金項目-虛擬手術(shù)仿真基礎平臺研究為基礎，分析設計了一個可擴展的基礎框架。 生物軟組織仿真是多學科融合的應用研究領域，文章系統(tǒng)的論述了生物軟組織建模仿真的一些基礎理論和方法，包括幾何模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和半面結(jié)構(gòu)；網(wǎng)格剖分和插值細分的基礎理論；生物軟組織的生物力學特性和典型的物理建模方法；CT圖像的基本原理。 白內(nèi)障手術(shù)仿真的第一步是撕囊。

3、囊膜是附著在晶狀體上的一層富有彈性的透明薄膜。文章系統(tǒng)地研究了囊膜建模仿真的全過程。用裂隙燈測量的數(shù)據(jù)擬合的多項式建立了晶狀體的輪廓曲線，然后經(jīng)旋轉(zhuǎn)離散建立了囊膜的三角面模型并用半邊結(jié)構(gòu)表示。使用準靜態(tài)求解的線彈性質(zhì)點彈簧模型和碰撞檢測技術(shù)，建立了具有附著特性的囊膜物理仿真模型。通過一種漸進動態(tài)切割方法，實現(xiàn)了囊膜切割操作。依據(jù)斷裂力學的基本原理，分析、設計了囊膜撕裂的基本算法，實現(xiàn)了囊膜定向撕裂。虛擬器械與囊膜的交互不僅在視覺上給出反

4、饋，作者還建立了具有黏滯性摩擦反饋的觸力覺仿真模型，使交互觸摸、拉伸、切割和撕裂等更具有真實感。 白內(nèi)障手術(shù)仿真的另一重要步驟是碎核乳化過程即把膜下的皮質(zhì)和晶狀體核吸出體外。文章以三角面模型為限定，依Delaunay準則對皮質(zhì)和核進行了四面體剖分，并用半面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示。對四面體剖分建立了對應的質(zhì)點彈簧模型，提出了一種基于半面結(jié)構(gòu)的劈核仿真算法。把分核的結(jié)果視為類剛體，采用一種無網(wǎng)格的光滑粒子流體動力學模型SPH建模，在吸食器接觸

5、的一定的范圍內(nèi)的粒子采用隨機刪除機制刪除，以仿真乳化吸出過程。 基于醫(yī)學圖像的建模仿真是典型的醫(yī)學仿真過程，文章從CT醫(yī)學圖像的預處理-分割方法，MC表面重構(gòu)，QEM模型化簡與平滑等，到有限元建模，作了比較系統(tǒng)的論述。以肝臟、鼻咽部為例應用了這些方法并作了一些改進，如多組織的鼻咽部建模，優(yōu)化的QEM簡化方法等，還探討了黏彈性有限元建模問題。 文章針對面模型提出了一種局部自適應建模仿真方法，該方法以一個可以接受的比較稀疏的

6、面模型為基礎，通過蝶型插值細分方法建立了若干細節(jié)層次，借助于一個森林結(jié)構(gòu)把它們組合起來，仿真時動態(tài)地局部加細分，這樣在不增加模型整體復雜度的情況下，提高模型仿真的精度；在觸覺反饋計算中，提出了一個層次半邊碰撞檢測方法，大大減少了觸覺線程中碰撞檢測的開銷；為了加速物理仿真的計算，系統(tǒng)討論了GPU用于通用計算的基本特征和方法，提出了基于GPU的質(zhì)點彈簧建模方法，分析了基于GPU的有限元仿真加速的基本實現(xiàn)方法。 文章針對虛擬手術(shù)仿真的

7、應用研究現(xiàn)狀提出了建立一個虛擬手術(shù)仿真基礎平臺，搭建一個可擴展的基礎框架的重要性和實際意義。基于面向?qū)ο蟮姆椒?，從系統(tǒng)需求分析，功能分析出發(fā)，通過用例順序圖研究定義了與功能、場景相關(guān)的基礎類，分析了虛擬手術(shù)仿真的一些可擴展點，給出了系統(tǒng)基礎框架的層次結(jié)構(gòu)體系模型。從框架設計實現(xiàn)的基本設計模式出發(fā)討論了框架系統(tǒng)實現(xiàn)的基本策略，以及雙線程的同步器共享的運行機制。 總之，文章在實時和真實的折中平衡方面提出了幾種加速算法如自適應局部求精