虛擬手術(shù)中力反饋的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、虛擬手術(shù)仿真是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用,專(zhuān)門(mén)用來(lái)模擬手術(shù)過(guò)程中可能遇見(jiàn)的各種情況,已成為當(dāng)前國(guó)際上生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域研究的極具挑戰(zhàn)性的前沿課題。
　　虛擬手術(shù)主要圍繞視覺(jué)與觸覺(jué)兩方面進(jìn)行研究,通過(guò)視覺(jué)反饋直觀地呈現(xiàn)出逼真的虛擬手術(shù)場(chǎng)景及操作對(duì)象,利用觸覺(jué)反饋感受虛擬環(huán)境中力的作用并對(duì)操作做出及時(shí)、正確的判斷。本文主要從視覺(jué)技術(shù)出發(fā),選擇典型的、難度較大的人體肝臟組織作為研究對(duì)象,緊緊圍繞虛擬手術(shù)中的力/觸覺(jué)反饋技術(shù)展開(kāi)深入的

2、研究,主要工作如下:
　　1.基于網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)力反饋:采用質(zhì)點(diǎn)—彈簧體模型構(gòu)建軟組織的物理模型,體模型具有較高精度,但數(shù)據(jù)量較大,計(jì)算復(fù)雜,因此,提出一種改進(jìn)的歐拉算法求解軟組織的形變過(guò)程,采用顯式歐拉法對(duì)質(zhì)點(diǎn)速度進(jìn)行求解并作為初始值,然后用隱式歐拉法對(duì)位移進(jìn)行求解,此方法綜合了顯式歐拉法和隱式歐拉法的優(yōu)點(diǎn),具有良好的穩(wěn)定性和較高的實(shí)時(shí)性;基于PHANTOM Omni力反饋設(shè)備,采用彈簧—阻尼器模型作為力反饋計(jì)算模型,輸出穩(wěn)定、光

3、滑的反饋力,觸覺(jué)交互較為逼真。
　　2.基于無(wú)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)力反饋:無(wú)網(wǎng)格法不需要依賴網(wǎng)格,不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格的重構(gòu)與劃分,具有自適應(yīng)性和較高精度,在虛擬手術(shù)仿真領(lǐng)域已顯示出良好的應(yīng)用前景。本文提出一種基于無(wú)網(wǎng)格光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)的力反饋計(jì)算方法:選擇Voigt粘彈性模型來(lái)反映軟組織的生物力學(xué)特征,充分考慮軟組織的力學(xué)本構(gòu)方程,具有較高精確性;采用SPH方法求解形

4、變運(yùn)動(dòng)方程組及交互過(guò)程中產(chǎn)生的反饋力,并輸出給力反饋設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了觸覺(jué)交互。
　　3.提出一種基于動(dòng)態(tài)局部交互區(qū)域的SPH方法:SPH方法具有較高精度,但全局使用時(shí)計(jì)算成本較高,反饋力輸出不穩(wěn)定,產(chǎn)生“跳動(dòng)”現(xiàn)象,虛擬手術(shù)中光滑力反饋要求觸覺(jué)幀速不小于300HZ,為滿足要求,提出一種基于動(dòng)態(tài)局部交互區(qū)域的SPH方法,將軟組織劃分為形變區(qū)域和非形變區(qū)域,假定軟組織形變僅受形變區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的影響,故非形變區(qū)域近似認(rèn)為不發(fā)生形變。形變區(qū)域包

5、含兩部分:交互區(qū)域和傳播區(qū)域。在交互區(qū)域采用SPH方法對(duì)各個(gè)物理量進(jìn)行精確計(jì)算,在傳播區(qū)域則通過(guò)將受力點(diǎn)物理量直接衰減的方式進(jìn)行近似求解。此方法具有位置可變及區(qū)域可延伸的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)大大減少了參與計(jì)算的粒子數(shù)量,提高了計(jì)算效率,最終實(shí)現(xiàn)了反饋力的穩(wěn)定輸出,觸覺(jué)交互效果良好。
　　4.基于SPH方法實(shí)現(xiàn)力反饋的情況尚未見(jiàn)報(bào)道,因此,必須對(duì)SPH方法的有效性及實(shí)時(shí)性進(jìn)行驗(yàn)證。有效性方面,以同一肝臟數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本,將SPH方法的模擬效果