虛擬手術(shù)中軟組織建模與碰撞檢測(cè)方法研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展,促使了虛擬手術(shù)仿真這一全新研究領(lǐng)域應(yīng)運(yùn)而生,融合了多個(gè)交叉學(xué)科,是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一種應(yīng)用。虛擬手術(shù)可為醫(yī)生提供一個(gè)虛擬的手術(shù)環(huán)境,在視覺(jué)與觸覺(jué)上為用戶真實(shí)再現(xiàn)手術(shù)場(chǎng)景,可用于制定手術(shù)計(jì)劃、術(shù)中引導(dǎo)、手術(shù)教學(xué)、手術(shù)操作培訓(xùn)和術(shù)后康復(fù)等,因此對(duì)該領(lǐng)域的研究在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本文圍繞生物軟組織的幾何建模、模型優(yōu)化、物理建模、計(jì)算建模、和碰撞檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,其在整個(gè)虛擬

2、仿真系統(tǒng)中既相互促進(jìn)又相互制約。研究?jī)?nèi)容主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
　　 (1)幾何建模是虛擬手術(shù)仿真的基礎(chǔ),本文重點(diǎn)研究基于Delaunay四面體剖分方法的四面體重建技術(shù)。針對(duì)該技術(shù)中存在的邊界一致性問(wèn)題,提出一種限定性Delaunay四面體模型重構(gòu)法。該方法首先在傳統(tǒng)的Delaunay逐點(diǎn)遞增算法上增加了有利于邊界恢復(fù)的限定性條件,即邊界邊/面在四面體構(gòu)建和模型優(yōu)化時(shí)被認(rèn)為是不可修改和刪除的。其次針對(duì)建模過(guò)程中丟失邊界的問(wèn)題,

3、將局部變換法和邊界恢復(fù)法相結(jié)合,在優(yōu)化四面體模型的同時(shí)恢復(fù)丟失邊界。
　　 (2)四面體模型質(zhì)量度量準(zhǔn)則是評(píng)價(jià)網(wǎng)格模型質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn),一個(gè)合理的度量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)評(píng)價(jià)模型質(zhì)量和優(yōu)化模型起到至關(guān)重要的作用,但目前對(duì)四面體單元質(zhì)量的度量和評(píng)價(jià)并沒(méi)有公認(rèn)或絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)。因此本文對(duì)常用的四面體網(wǎng)格模型質(zhì)量度量準(zhǔn)則進(jìn)行總結(jié)與分析,并從理論上證明各質(zhì)量度量準(zhǔn)則之間的關(guān)系。分析認(rèn)為在優(yōu)化四面體模型時(shí),不能僅僅采用某一種度量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)網(wǎng)格的質(zhì)量,應(yīng)根據(jù)不同的

4、四面體類(lèi)型,采用不同的準(zhǔn)則或?qū)追N準(zhǔn)則聯(lián)合起來(lái)對(duì)模型質(zhì)量進(jìn)行度量更為準(zhǔn)確。
　　 (3)Delaunay四面體模型中Sliver單元的存在是影響模型質(zhì)量和虛擬手術(shù)后續(xù)操作的重要因素,通過(guò)對(duì)薄元Sliver特性、以及節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)法和Delaunay細(xì)化法的分析,提出Delaunay四面體Sliver單元混合刪除法。該方法將四面體模型中的Sliver單元分為不同的類(lèi)型,針對(duì)不同的類(lèi)型采用不同的刪除方法,在消除模型中原Sliver單元的同

5、時(shí)不引入新的Sliver單元,解決模型的復(fù)雜度和質(zhì)量問(wèn)題。
　　 (4)有限元方法因其本身固有的特性而被廣泛應(yīng)用于變形計(jì)算,然而該方法很難達(dá)到手術(shù)仿真的實(shí)時(shí)性要求。從虛擬手術(shù)仿真響應(yīng)時(shí)間的要求考慮,提出具有體模型、連續(xù)動(dòng)力學(xué)、線彈性四面體有限元模型等技術(shù)特征的線彈性混合凝聚有限元模型。該方法選用計(jì)算量小、物理模型清晰簡(jiǎn)單的線彈性模型描述軟組織的變形特征,并將動(dòng)態(tài)線彈性模型和半靜態(tài)模型相結(jié)合。為降低計(jì)算復(fù)雜度,采用凝聚技術(shù)將有手術(shù)

6、區(qū)域進(jìn)一步細(xì)化為可變形區(qū)域和不可變形區(qū)域,并將碰撞檢測(cè)技術(shù)融入其中,提出一種最小可變形區(qū)域選取方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),提高軟組織變形仿真的計(jì)算速率。
　　 (5)由于自碰撞檢測(cè)只可能發(fā)生在軟組織表面,三角形的鄰接關(guān)系使得三角形相交檢測(cè)的計(jì)算量和冗余檢測(cè)量相對(duì)較大。為了減低碰撞檢測(cè)中的冗余檢測(cè)數(shù)量以及提高檢測(cè)的速率,提出基于可碰撞集的軟組織自碰撞檢測(cè)方法。該方法分為粗糙檢測(cè)和精確檢測(cè)兩個(gè)階段,粗糙檢測(cè)根據(jù)軟組織的曲率提取可碰撞集,基本幾何