虛擬肝臟手術(shù)中軟組織切割模擬技術(shù)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的高新尖端技術(shù)被應(yīng)用到外科臨床手術(shù)中。隨著而來(lái)的問(wèn)題是外科醫(yī)生的技能培訓(xùn)越來(lái)越復(fù)雜，訓(xùn)練成本越來(lái)越高。上世紀(jì)九十年代開(kāi)始興起的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，給解決這個(gè)問(wèn)題提供了一個(gè)新的途徑，通過(guò)構(gòu)建虛擬手術(shù)系統(tǒng)來(lái)訓(xùn)練醫(yī)生的技能，達(dá)到節(jié)約訓(xùn)練成本，縮短訓(xùn)練時(shí)間的目的。
　　虛擬手術(shù)系統(tǒng)最初僅僅是用作輔助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)的多媒體技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)功能越來(lái)越強(qiáng)大，人們開(kāi)始嘗試用虛擬手術(shù)系統(tǒng)來(lái)模擬仿真現(xiàn)實(shí)中的手術(shù)，以用來(lái)

2、訓(xùn)練醫(yī)生和預(yù)演手術(shù)實(shí)例。目前做得比較成功的大都是虛擬內(nèi)窺鏡手術(shù)或是虛擬顯微外科手術(shù)，但類似于肝臟手術(shù)這類大型的外科手術(shù)在工程實(shí)現(xiàn)上卻并不成熟。主要原因在于沒(méi)有合適地模擬交互設(shè)備以及對(duì)于復(fù)雜的軟組織器官?zèng)]有有效的模擬仿真手段。
　　本課題針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)軟組織的形變切割等問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，并搭建了一個(gè)由兩臺(tái)力反饋設(shè)備和一臺(tái)PC機(jī)構(gòu)成虛擬肝Ⅶ段切除手術(shù)系統(tǒng)。人體的軟組織和器官種類豐富，物理性質(zhì)都不盡相同。所以我們?cè)谶M(jìn)行針對(duì)軟體的形

3、變建模時(shí)不能使用單一的模型，必須針對(duì)不同特性的組織使用不同的方法進(jìn)行建模。最后通過(guò)力反饋設(shè)備和PC機(jī)同用戶進(jìn)行觸覺(jué)和視覺(jué)上的交互。目前主流的針對(duì)軟體的形變方法主要分為三大類：彈簧振子方法，有限元方法以及基于位置的形變模擬方法。本課題對(duì)彈簧振子方法和基于位置的形變模擬方法做了較為深入的研究。本文的主要工作如下：
　　1）針對(duì)不同物理特性的軟組織，設(shè)計(jì)了分別基于這兩種方法的改進(jìn)的模擬仿真方法。并提出了一種基于Lattice架構(gòu)的異構(gòu)模

4、型，有效地解決了傳統(tǒng)方法在仿真模擬時(shí)性能與效果的矛盾。
　　2）在軟組織切割問(wèn)題上，我們利用上述基于Lattice架構(gòu)的異構(gòu)模型，設(shè)計(jì)了一種高效的切割算法。創(chuàng)新地利用體元的復(fù)制來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法中體元的細(xì)分，從而避免了在多刀切割時(shí)可能發(fā)生的碎片化問(wèn)題，有效避免了在模擬過(guò)程中模型質(zhì)量的退化。
　　3）針對(duì)傳統(tǒng)的Delaunay三角化算法的兩個(gè)主要缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的自適應(yīng)Delaunay三角化算法，并將其應(yīng)用在切割模擬中的傷口重