虛擬手術(shù)中軟組織形變與切割技術(shù)研究.pdf

1、傳統(tǒng)手術(shù)訓(xùn)練使用人類的尸體、動(dòng)物或橡膠人體模型作為訓(xùn)練對(duì)象，存在著尸源短缺、成本昂貴、與真實(shí)人體組織特性差別較大及迫害動(dòng)物等諸多局限和問(wèn)題，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展使得數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為解決此類問(wèn)題的重要手段，研究人員開(kāi)始探索將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)護(hù)人員的外科手術(shù)培訓(xùn)中，通過(guò)建立集成有視覺(jué)顯示、力覺(jué)再現(xiàn)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)等多感知的虛擬手術(shù)環(huán)境，給予醫(yī)生逼真的手術(shù)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)手術(shù)培訓(xùn)教學(xué)、術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中輔助支持、術(shù)后分析、復(fù)雜手術(shù)的反復(fù)演練等全面訓(xùn)

2、練醫(yī)護(hù)人員的目的。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的結(jié)合為高科技醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的空間，也使得虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)面臨一個(gè)嶄新而艱巨的挑戰(zhàn)。
　　 在實(shí)際手術(shù)中，醫(yī)生主要依靠視覺(jué)與觸覺(jué)反饋信息進(jìn)行手術(shù)操作，因此虛擬手術(shù)系統(tǒng)大都是針對(duì)視覺(jué)與觸覺(jué)兩大方面的仿真研究，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)操作作出及時(shí)、正確的判斷。本文也是從視覺(jué)與觸覺(jué)反饋兩方面出發(fā)，選擇典型的且難度較大的人體

3、軟組織器官作為研究對(duì)象，緊緊圍繞虛擬手術(shù)中具有代表性的形變與切割兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)深入的研究，主要工作如下：
　　 首先，針對(duì)圖像的手動(dòng)分割工作量大及自動(dòng)分割精度不高的問(wèn)題，提出了將手動(dòng)分割與自動(dòng)分割相結(jié)合的醫(yī)學(xué)圖像分割方式，重建了具有人體解剖結(jié)構(gòu)特征的胃組織及肝臟組織的幾何模型，并對(duì)其進(jìn)行視覺(jué)渲染與紋理映射，從而得到了真實(shí)度較高的人體軟組織模型；對(duì)力反饋技術(shù)及反饋力的計(jì)算與測(cè)試方法進(jìn)行了研究，提出了基于PVDF(Polyviny

4、lidene Fluoride，聚偏二氟乙烯)壓電薄膜傳感器的反饋力測(cè)試方法，并應(yīng)用于軟組織形變與切割模擬中反饋力的測(cè)試上。
　　 其次，針對(duì)醫(yī)學(xué)觸診的特點(diǎn)及現(xiàn)有形變仿真建模方法的不足，提出了可變區(qū)域的局部質(zhì)點(diǎn)-彈簧/阻尼器(ALMSDM)模型，該模型具有位置可變及區(qū)域可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，改善了以往文獻(xiàn)中局部建模方法區(qū)域限定及全局的面模型形變恢復(fù)能力差的問(wèn)題，并在虛擬軟組織面模型與體模型中得到了較好的應(yīng)用。從系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的角度，針對(duì)AL

5、MSDM在面模型與體模型中的應(yīng)用，分別提出了頂點(diǎn)法向量的局部更新思想與預(yù)計(jì)算策略，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性得到了較大的改善。從形變恢復(fù)能力、反饋力分析及實(shí)時(shí)性評(píng)測(cè)三方面對(duì)面模型與體模型的ALMSDM進(jìn)行了評(píng)價(jià)，進(jìn)而驗(yàn)證所提算法的可行性與通用性。
　　 再次，創(chuàng)新性地將無(wú)網(wǎng)格法理論應(yīng)用于虛擬手術(shù)的形變建模中，在對(duì)質(zhì)點(diǎn)積分無(wú)網(wǎng)格伽遼金法進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)虛擬軟組織形變多為大變形的特點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的質(zhì)點(diǎn)積分無(wú)網(wǎng)格伽遼金法，并采用二維

6、梁理論對(duì)所建模型進(jìn)行了理論驗(yàn)證；然后基于改進(jìn)算法建立了虛擬軟組織形變仿真的靜態(tài)模型與動(dòng)態(tài)模型，在靜態(tài)模型仿真中采用靜態(tài)位移累加的方式實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)形變過(guò)程的模擬，與動(dòng)態(tài)模型相比，其速度很快，但由于缺少中間連續(xù)變化的過(guò)程使得該模型計(jì)算精度不高；動(dòng)態(tài)模型的形變仿真計(jì)算量相對(duì)較大，本文綜合考慮了動(dòng)態(tài)模型的特點(diǎn)及虛擬手術(shù)實(shí)時(shí)性能的要求對(duì)模型進(jìn)行了近似求解。仿真實(shí)驗(yàn)與對(duì)比分析表明，無(wú)網(wǎng)格法在軟組織形變仿真中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可靠性，避免了基于網(wǎng)格建

7、模方法在模擬大形變時(shí)容易出現(xiàn)網(wǎng)格扭曲、鎖死等問(wèn)題，解決了虛擬軟組織大變形時(shí)誤差大的問(wèn)題；最后采用PVDF傳感器對(duì)動(dòng)態(tài)模型的實(shí)際反饋力進(jìn)行測(cè)試，并與反饋力模型計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。
　　 本文最后對(duì)虛擬手術(shù)切割算法進(jìn)行了研究，針對(duì)現(xiàn)有切割算法存在的問(wèn)題，提出了切口邊界獨(dú)立繪制的方案，即切口邊界的繪制不再依賴于網(wǎng)格破裂后的拓?fù)渲亟M；結(jié)合切口的特點(diǎn)及樣條方法的優(yōu)越性質(zhì)，提出新穎的基于Bézier曲線的切口再現(xiàn)算法，解決了切口繪制