虛擬手術(shù)中軟組織建模與碰撞檢測算法的研究.pdf

1、虛擬手術(shù)作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學方面的一個重要應用，解決了傳統(tǒng)手術(shù)訓練方式存在的諸多局限性。它是虛擬現(xiàn)實技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)學飛速發(fā)展和交叉融合的結(jié)晶，包括計算機圖形學、人機交互、人工智能等技術(shù)。軟組織器官的形變仿真是其重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，能否逼真、實時地進行形變仿真是關(guān)乎虛擬手術(shù)成敗的關(guān)鍵。
　　本文以人體軟組織器官為研究對象，對其進行形變仿真。并從形變模擬的真實性和實時性要求出發(fā)，系統(tǒng)地探討軟組織器官的幾何模型、物理模型、形變模型的數(shù)值解算

2、和碰撞檢測等關(guān)鍵技術(shù)。
　　首先，根據(jù)軟組織器官的幾何特征構(gòu)造其幾何模型。選取人體典型軟組織器官—胃和肝臟，利用其醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)和三維建模工具構(gòu)造出軟體組織器官的面模型。因為肝臟內(nèi)部為“實心體”，故采用 TetGen軟件將肝臟的面模型進行四面體剖分，最后得到基于面模型結(jié)構(gòu)的胃模型和基于體模型結(jié)構(gòu)的肝臟模型，為軟組織形變奠定基礎(chǔ)。
　　其次，針對傳統(tǒng)虛擬手術(shù)系統(tǒng)大都是對質(zhì)點-彈簧模型整體或預先選擇某一固定區(qū)域進行物理建模，從而導

3、致系統(tǒng)的實時性不高、靈活性不足的缺點。本文利用計算機圖形學的投影變換等技術(shù)，采用了局部質(zhì)點-彈簧模型的動態(tài)生成方法。該方法具有較強的靈活性，不依賴某一區(qū)域三角形的索引值和網(wǎng)格拓撲關(guān)系，在保證仿真系統(tǒng)真實性與可靠性的情況下，提高了形變模擬的實時性。
　　再次，在軟組織器官形變的過程中，我們需要利用數(shù)值解算的方法求解形變的動力學模型。其中歐拉法、中點法、龍格庫塔法是三種求解微分方程常用的方法，比較這些數(shù)值解算方法并選取中點法作為求解形