虛擬手術系統(tǒng)中模擬手術場景的渲染和平臺的構建.pdf

1、進入20世紀后期,以腔鏡技術為代表的微創(chuàng)外科手術技術發(fā)展迅速。 微創(chuàng)手術與傳統(tǒng)手術比較，具有創(chuàng)傷小、恢復快、并發(fā)癥少、麻醉時間短等優(yōu)點。因此微創(chuàng)手術正在得到廣泛的發(fā)展和應用。然而，由于微創(chuàng)手術本身的特點，醫(yī)生只能通過內窺鏡看到病人體內的局部狀況，這樣對醫(yī)生來說手術難度大大增加，而且對經(jīng)驗值的依賴也比傳統(tǒng)手術來的高。所以對醫(yī)生來說，術前的訓練十分重要。本文所探討的虛擬手術系統(tǒng)的目的就是利用計算機虛擬現(xiàn)實技術給醫(yī)生提供手術的訓練環(huán)境

2、，讓更多的醫(yī)生更短時間內掌握微創(chuàng)手術技術。 本文主要研究保證系統(tǒng)視覺真實感的手術場景的渲染和整個虛擬手術平臺的構建。首先通過研究流體力學的Navier-Stokes 方程組的數(shù)值化解法來進行體內血流在內窺鏡視野中的渲染，造成內窺鏡鏡頭模糊的效果，訓練醫(yī)生在此特殊環(huán)境下的處理。然后通過模擬其他的場景元素：組織液漂浮物，人體體腔背景貼圖和手術器械建模等，來讓手術場景更加真實。最后章節(jié)簡述了系統(tǒng)的層次架構和模塊化設計，如何使整個系統(tǒng)降

3、低耦合度，對各個場景渲染模塊進行實驗以確定達到最佳的視覺效果，并且講述了如何把血流渲染子模塊整合到現(xiàn)有模擬系統(tǒng)中。 本文的工作和主要創(chuàng)新點如下： 1. 對與系統(tǒng)訓練效果直接相關的血流渲染模塊進行了重點的研究。 對不同的數(shù)值化方法進行了比較分析，決定一個最適合本系統(tǒng)的方法來實現(xiàn)血流模擬。 2. 實現(xiàn)血流渲染模塊并且按照系統(tǒng)的需求把算法進行了修改和創(chuàng)新，如邊界條件的處理等。也對相關參數(shù)進行了調試，使渲染的視覺

4、效果更加的逼真。 3. 使用不同的技術模擬其他的場景元素，如用粒子系統(tǒng)模擬了組織液漂浮物，用不同的混合設置進行背景的貼圖處理，創(chuàng)新性的使用了矩陣管道準確定位手術器械模型。 4. 對整個手術系統(tǒng)的框架進行了模塊化的重建，運用了設計模式的知識，對模塊間的交互等進行低耦合設計，大大的提高系統(tǒng)的可擴展性和可維護性。 5. 把用OpenGL 實現(xiàn)的血流渲染子模塊整合到虛擬手術訓練系統(tǒng)平臺中。創(chuàng)新的設計出使用VTK的多邊形源