基于內(nèi)部點(diǎn)集域約束模型的虛擬手術(shù)仿真研究.pdf

1、傳統(tǒng)培養(yǎng)外科醫(yī)生的方法往往需要很長(zhǎng)的周期，在培訓(xùn)期間實(shí)習(xí)醫(yī)生要觀摩有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生進(jìn)行特定的手術(shù)，之后需要在有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生陪同下完成簡(jiǎn)單的手術(shù)操作。實(shí)習(xí)醫(yī)生在培訓(xùn)過(guò)程中往往會(huì)限制于可供訓(xùn)練的對(duì)象資源匱乏、成本昂貴等問(wèn)題，并且尸體與動(dòng)物的組織解剖結(jié)構(gòu)與活人的組織解剖結(jié)構(gòu)存在很大差別。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，基于虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)成為解決上述問(wèn)題的最佳途徑。虛擬手術(shù)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)人體組織進(jìn)行三維重建、可視化渲染及力覺(jué)渲染提供給實(shí)習(xí)醫(yī)生一個(gè)逼

2、真的手術(shù)訓(xùn)練場(chǎng)景，并可以提供術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中輔助支持、術(shù)后分析的作用。虛擬手術(shù)系統(tǒng)將為醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展提供廣闊的空間。
　　軟組織形變技術(shù)是虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)中極為關(guān)鍵的技術(shù)，質(zhì)點(diǎn)彈簧模型是目前常用于軟組織形變仿真的物理模型。本文針對(duì)傳統(tǒng)的質(zhì)點(diǎn)彈簧模型缺乏內(nèi)部體積力作用，提出了內(nèi)部點(diǎn)集域約束模型，并在此基礎(chǔ)上提出了動(dòng)態(tài)形變方法，提高了算法的運(yùn)算速度。本文主要工作如下:
　　(1)針對(duì)質(zhì)點(diǎn)彈簧模型存在的穩(wěn)定性問(wèn)題，在組織建模時(shí)拓?fù)浣Y(jié)

3、構(gòu)選取上做了相關(guān)研究與分析。為了保證組織在形變過(guò)程中能夠?qū)⒘鶆虻膫鬟f到相鄰的結(jié)點(diǎn)上，本文選擇正六邊形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這樣每個(gè)三角面片都是正三角形，從而保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
　　(2)針對(duì)傳統(tǒng)質(zhì)點(diǎn)彈簧模型在軟組織形變仿真中缺少內(nèi)部體積力的作用，導(dǎo)致對(duì)象的體特征缺失，提出了一種內(nèi)部點(diǎn)集域約束模型。該模型在組織模型的內(nèi)部建立與模型表面結(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的內(nèi)部點(diǎn)集域，再在點(diǎn)集域上的點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的表面結(jié)點(diǎn)之間構(gòu)建約束彈簧，外力通過(guò)約束彈簧傳遞

4、到內(nèi)部點(diǎn)集域中，使相應(yīng)的點(diǎn)發(fā)生位移，位移又通過(guò)應(yīng)變分布函數(shù)傳遞到內(nèi)部點(diǎn)集之間，最后又通過(guò)約束彈簧作用于表面的結(jié)點(diǎn)上，從而模擬出組織內(nèi)部的體積力。
　　(3)由于內(nèi)部點(diǎn)集域在應(yīng)變分布時(shí)會(huì)快于表面結(jié)點(diǎn)之間力的傳遞，所以本文在此基礎(chǔ)上提出了動(dòng)態(tài)形變方法用于提高算法的實(shí)時(shí)性。先設(shè)定一個(gè)形變域，當(dāng)內(nèi)部點(diǎn)集域中的點(diǎn)在應(yīng)變分布函數(shù)作用下發(fā)生位移時(shí)，如果位移量大于某個(gè)閾值，則將其對(duì)應(yīng)的表面結(jié)點(diǎn)置為形變域中的點(diǎn)參與形變更新，而其他的點(diǎn)則不參與更新。