虛擬手術中流血效果模擬研究.pdf

1、虛擬手術是現(xiàn)代醫(yī)學與計算機技術相結合的新興交叉研究領域，其涉及到了現(xiàn)代醫(yī)學、計算機圖形學、數(shù)字圖像處理、生物力學和力反饋技術等多個學科的知識。虛擬手術仿真系統(tǒng)是醫(yī)學教育和術前規(guī)劃的重要工具，其根據(jù)現(xiàn)有的病人資料利用計算機建模和仿真技術為醫(yī)生提供真實而準確的虛擬環(huán)境，減少了手術培訓費用。為了方便后來研究人員可以快速地投入到虛擬手術領域中進行研究與開發(fā)，國內外學者們結合自己的研究成果搭建了一些通用的虛擬手術框架，如Spring，SOFA和G

2、iPSi等，其包含了搭建虛擬手術仿真系統(tǒng)所需的基本算法和模塊，如人機交互、碰撞檢測、組織建模、形變和切割模擬、流體引擎、圖形引擎、聲音引擎和力反饋等，利用這些框架開發(fā)人員可以搭建針對特定手術過程的仿真系統(tǒng)。
　　視覺反饋是虛擬手術仿真系統(tǒng)的重要交互方式。系統(tǒng)通過提供具有真實感和實時性的視覺反饋可以增強用戶體驗，提高訓練的效果。而血液是人體的重要組成部分，在手術過程中器官或者皮膚出血是最常見的現(xiàn)象，因此，流血模擬是虛擬手術仿真系統(tǒng)中

3、的重要組成部分。
　　本文在Navier-Stokes方程的基礎上加入溫度傳播方程作為血液流動的控制方程。采用光滑粒子動力學方法研究了切割流血和血液在器官內流動與交互的模擬，并通過構造人體出血量模型來描述流血狀態(tài)下人體的生理變化。模擬過程可表示為多個獨立的時間片，在每個時間片，血流采用粒子進行離散表示，通過求解血液流動控制方程得到粒子的加速度，然后采用Leap-Frog數(shù)值計算方法更新粒子的位移，計算過程中只需采用中間變量對前一時

4、刻粒子的狀態(tài)進行存儲。
　　流血模擬過程包括初始化系統(tǒng)和循環(huán)計算兩大部分。在初始化系統(tǒng)部分，需要讀入器官切割后傷口信息或者血管模型文件信息，對血液和人體出血量模型的相關參數(shù)進行設置，初始化血液粒子狀態(tài)，完成GPU端內存分配和數(shù)據(jù)傳遞。在循環(huán)計算中，需要求解血液流動控制方程得到血液粒子當前時刻的位移、溫度和受力等狀態(tài)，并計算與器官組織的交互力，當粒子的溫度達到閾值時需要強制修改粒子的屬性來模擬血液的凝固效果，計算完成后利用圖形繪制接