虛擬手術(shù)中的碰撞檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用.pdf

1、作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要應(yīng)用，虛擬手術(shù)集成了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、自動(dòng)控制、生物醫(yī)學(xué)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。構(gòu)建一個(gè)虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)，需要對(duì)手術(shù)器械和人體組織器官進(jìn)行精確的幾何建模、物理建模以及計(jì)算建模，在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)過程中可能發(fā)生的軟組織形變、切割、縫合、流血等各種物理現(xiàn)象的仿真模擬，從而為用戶提供身臨其境的手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)感。虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)在手術(shù)方案制定、手術(shù)技能訓(xùn)練、手術(shù)引導(dǎo)、假體設(shè)計(jì)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。<

2、br>　　然而虛擬手術(shù)中需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題是發(fā)生在人體器官組織與手術(shù)器械之間的碰撞檢測(cè)，由于器官和組織通常為大規(guī)模的軟體模型，而手術(shù)器械為簡(jiǎn)單的剛體模型，實(shí)時(shí)檢測(cè)兩類模型之間的碰撞已成為整個(gè)虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)的性能瓶頸。
　　為解決虛擬手術(shù)中的碰撞檢測(cè)問題，本文首先深入研究碰撞檢測(cè)相關(guān)技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有算法進(jìn)行分類歸納，并著重介紹與分析了基于層次包圍盒和基于空間分解的碰撞檢測(cè)算法。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)虛擬手術(shù)系統(tǒng)的實(shí)際特點(diǎn)，提出一種基于層

3、次包圍盒的快速碰撞檢測(cè)方法，從層次包圍盒的構(gòu)造、包圍盒樹的遍歷、精確相交測(cè)試等三個(gè)方面對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，以快速、精確地檢測(cè)出大規(guī)模軟體與簡(jiǎn)單剛體之間的碰撞。算法首先采用空間分解方法對(duì)對(duì)象空間進(jìn)行低深度分解，并找出其中有可能發(fā)生碰撞的單元格，僅為這些單元格構(gòu)造相應(yīng)的AABB包圍盒樹，并找出其中可能相交的基本幾何元素對(duì)，進(jìn)入精確相交測(cè)試階段。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用情況表明，本文算法可以有效地提高小型活動(dòng)對(duì)象與大型環(huán)境對(duì)象之間的碰撞檢測(cè)處理效率