虛擬手術中非線性軟體組織形變研究.pdf

1、虛擬手術是現代醫(yī)學和虛擬現實技術交叉融合的一門新興領域，綜合了計算機圖形學、現代醫(yī)學、人工智能、圖像處理、生物力學等多個學科。一個完整的虛擬手術系統(tǒng)包含模型構造、形變模擬、切割、碰撞檢測、圖形顯示和力反饋等模塊。完整地構造如此龐大的系統(tǒng)對開發(fā)人員是一個巨大的挑戰(zhàn)，為了加速虛擬手術系統(tǒng)的研發(fā)，國際科研組織和學者們開發(fā)出了很多用于開發(fā)虛擬手術的開發(fā)包或者開發(fā)庫，包含了虛擬手術中用到的基本算法和模塊，使得研發(fā)人員可以集中精力對某個領域作深入的

2、研究，其代表有SOFA，CHAI3D和Spring等。
　　 本文在CHAI3D平臺上使用顯式有限元法研究了有力反饋的非線性軟體組織形變，形變過程離散為多個離散的時間點，在每個時間點，軟體組織的狀態(tài)采用完全拉格朗日法描述，即參考未發(fā)生形變時的狀態(tài)描述。使用差分法將本構方程表示為位移的顯示方程，計算過程中僅需要保存前一步和當前位移，降低了存儲量也使得可以并行求解形變。
　　 形變模擬過程分為初始化階段和循環(huán)計算部分。在初始

3、化階段，讀入模型文件，計算在形變過程中不變的變量，傳遞到GPU中保存;分配GPU內存;執(zhí)行其他準備工作。在循環(huán)計算部分，當虛擬設備與軟體組織交互時，碰撞檢測機制返回碰撞點所在的三角形，根據該三角形確定形變計算的區(qū)域，對形變區(qū)域內的四面體和頂點按照有限元求解的步驟計算形變位移和反作用力，分別通過視覺顯示和力反饋設備反饋給用戶。
　　 在模型構造方面，采用3D MAX或者Maya等三維建模工具根據醫(yī)學圖像數據構造三維模型，之后使用T

4、etGen進行四面體網格劃分，結合形變計算中的其他參數信息存放為XML格式的模型文件。
　　 一直以來，軟體組織形變面臨著模擬精度和求解速度的矛盾，本文運用計算能力比CPU高達數十倍甚至數百倍的GPU來求解形變過程中各種耗時的計算。由于使用GPU執(zhí)行大部分的計算，計算的結果存放在顯存中，為了減少主機端和GPU之間的數據傳遞，運用CUDA和OpenGL的互操作直接顯示顯存中的數據;另外，設計并行的碰撞檢測，也直接使用顯卡中的數據執(zhí)