虛擬手術(shù)中的軟組織形變仿真算法研究.pdf

1、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使得計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)滲透到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的研究結(jié)合現(xiàn)代醫(yī)學(xué)便產(chǎn)生了虛擬手術(shù)系統(tǒng)。虛擬手術(shù)系統(tǒng)在視覺(jué)與觸覺(jué)感官上為使用者提供手術(shù)場(chǎng)景的真實(shí)再現(xiàn)，可應(yīng)用于外科醫(yī)生培訓(xùn)、手術(shù)效果預(yù)測(cè)和手術(shù)導(dǎo)航等領(lǐng)域。本文針對(duì)虛擬手術(shù)中軟組織形變仿真的幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題及算法，如有限元網(wǎng)格生成、軟組織形變仿真算法、大變形下的高精度軟組織形變仿真算法、切割過(guò)程中的切割條件計(jì)算、切割過(guò)程中的網(wǎng)格更新算法和靜力凝聚技術(shù)進(jìn)行了較為深

2、入的研究，提出了相應(yīng)模型與算法。 在有限元網(wǎng)格自動(dòng)剖分方面，本文提出了對(duì)角點(diǎn)網(wǎng)格自動(dòng)生成算法。該算法首先將空間劃分成正六面體單元，根據(jù)六面體單元頂點(diǎn)屬性，將其分為21種剖分模式，每一種模式對(duì)應(yīng)一種剖分方法，是一種快速簡(jiǎn)單且適應(yīng)性強(qiáng)的網(wǎng)格生成算法。 在軟組織形變仿真方面，本文提出了粘彈性有限元組織形變仿真算法。該算法能夠有效仿真組織在形變過(guò)程中所表現(xiàn)出的蠕變和松弛特性，通過(guò)調(diào)整參數(shù)，能夠描述不同的力學(xué)特性，從而實(shí)現(xiàn)用一種模

3、型對(duì)不同組織進(jìn)行仿真，以達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)的目的。該算法為虛擬手術(shù)中的軟組織形變高精度仿真提供了有效的解決方案。 在大形變條件下組織形變精確仿真方面，本文提出了完全拉格朗日格式下的粘彈性有限元組織形變仿真算法和更新拉格朗日格式下的粘彈性有限元組織形變仿真算法。采用這兩種仿真算法，提高了大形變下的組織形變仿真精度，對(duì)于增進(jìn)虛擬手術(shù)的真實(shí)度，以及更加可靠的對(duì)手術(shù)效果進(jìn)行預(yù)測(cè)，具有重要意義。 在虛擬手術(shù)中的切割判定條件方面，本文將材

4、料力學(xué)中的塑性形變判定條件Mises屈服條件引入了虛擬組織切割中，并考慮了手術(shù)器具的鋒利程度及應(yīng)力集中效應(yīng)，對(duì)Mises屈服條件進(jìn)行了改進(jìn)，使其更加符合實(shí)際的組織切割。 在網(wǎng)格切割算法方面，本文提出了基于投影法的網(wǎng)格切割算法，在切割之前對(duì)原始網(wǎng)格進(jìn)行了投影操作，使其結(jié)構(gòu)易于剖分。與現(xiàn)有的網(wǎng)格切割算法相比，由該算法得到的網(wǎng)格切割邊界更加合理、剖分比更低，從而提高了剛度矩陣更新的速度和精度。 在形變仿真算法計(jì)算優(yōu)化方面，為了