虛擬手術(shù)中非線性軟體組織形變研究.pdf

1、虛擬手術(shù)是現(xiàn)代醫(yī)學和虛擬現(xiàn)實技術(shù)交叉融合的一門新興領(lǐng)域，綜合了計算機圖形學、現(xiàn)代醫(yī)學、人工智能、圖像處理、生物力學等多個學科。一個完整的虛擬手術(shù)系統(tǒng)包含模型構(gòu)造、形變模擬、切割、碰撞檢測、圖形顯示和力反饋等模塊。完整地構(gòu)造如此龐大的系統(tǒng)對開發(fā)人員是一個巨大的挑戰(zhàn)，為了加速虛擬手術(shù)系統(tǒng)的研發(fā)，國際科研組織和學者們開發(fā)出了很多用于開發(fā)虛擬手術(shù)的開發(fā)包或者開發(fā)庫，包含了虛擬手術(shù)中用到的基本算法和模塊，使得研發(fā)人員可以集中精力對某個領(lǐng)域作深入的

2、研究，其代表有SOFA，CHAI3D和Spring等。
　　 本文在CHAI3D平臺上使用顯式有限元法研究了有力反饋的非線性軟體組織形變，形變過程離散為多個離散的時間點，在每個時間點，軟體組織的狀態(tài)采用完全拉格朗日法描述，即參考未發(fā)生形變時的狀態(tài)描述。使用差分法將本構(gòu)方程表示為位移的顯示方程，計算過程中僅需要保存前一步和當前位移，降低了存儲量也使得可以并行求解形變。
　　 形變模擬過程分為初始化階段和循環(huán)計算部分。在初始

3、化階段，讀入模型文件，計算在形變過程中不變的變量，傳遞到GPU中保存;分配GPU內(nèi)存;執(zhí)行其他準備工作。在循環(huán)計算部分，當虛擬設(shè)備與軟體組織交互時，碰撞檢測機制返回碰撞點所在的三角形，根據(jù)該三角形確定形變計算的區(qū)域，對形變區(qū)域內(nèi)的四面體和頂點按照有限元求解的步驟計算形變位移和反作用力，分別通過視覺顯示和力反饋設(shè)備反饋給用戶。
　　 在模型構(gòu)造方面，采用3D MAX或者Maya等三維建模工具根據(jù)醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)構(gòu)造三維模型，之后使用T

4、etGen進行四面體網(wǎng)格劃分，結(jié)合形變計算中的其他參數(shù)信息存放為XML格式的模型文件。
　　 一直以來，軟體組織形變面臨著模擬精度和求解速度的矛盾，本文運用計算能力比CPU高達數(shù)十倍甚至數(shù)百倍的GPU來求解形變過程中各種耗時的計算。由于使用GPU執(zhí)行大部分的計算，計算的結(jié)果存放在顯存中，為了減少主機端和GPU之間的數(shù)據(jù)傳遞，運用CUDA和OpenGL的互操作直接顯示顯存中的數(shù)據(jù);另外，設(shè)計并行的碰撞檢測，也直接使用顯卡中的數(shù)據(jù)執(zhí)