虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)中手術(shù)場(chǎng)景的模擬及系統(tǒng)集成.pdf

1、虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)是數(shù)字醫(yī)療研究的熱點(diǎn)問題之一,它主要應(yīng)用于教學(xué)、培訓(xùn)、診斷和術(shù)前計(jì)劃等。模擬的手術(shù)場(chǎng)景作為給被訓(xùn)練者最直觀的印象,在虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)中起著很重要的作用。手術(shù)場(chǎng)景渲染得越真實(shí),越接近真實(shí)的手術(shù)環(huán)境,就越可以提高訓(xùn)練的效果;反之,即使系統(tǒng)提供的功能再?gòu)?qiáng)大,卻只能達(dá)到事倍功半的效果。本文著眼于此,主要研究如何逼真地模擬手術(shù)場(chǎng)景并將其應(yīng)用到虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)中。本文首先研究流體模擬的相關(guān)算法并將其分別實(shí)現(xiàn),從中選擇合適的算法用于模

2、擬血流,進(jìn)而將其應(yīng)用于模擬手術(shù)器械通電切割組織而產(chǎn)生的煙霧;其次研究了如何從獲得的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)中分割出人體相關(guān)器官數(shù)據(jù),并將其在計(jì)算機(jī)中真實(shí)地顯示出來;接著研究了Phantom的工作機(jī)制,研究如何用力反饋設(shè)備控制手術(shù)器械進(jìn)行手術(shù)操作;最后將上述的這些渲染模塊集成入系統(tǒng),通過一系列實(shí)驗(yàn)證明了這些模塊的加入極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)真實(shí)感。本文的主要工作和研究成果如下:(1)通過研讀國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn),了解本文所需的相關(guān)理論,著重研究血流模擬的算法,由于血

3、流模擬屬于流體研究的一種應(yīng)用,因此同時(shí)也閱讀了不少關(guān)于流體的論文。(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)性能上的要求,選擇合適的血流模擬算法。在此過程中,為了找到合適的模擬血流的算法,分別實(shí)現(xiàn)了Stam基于網(wǎng)格的算法和改進(jìn)的SPH算法,將它們的性能進(jìn)行對(duì)比選擇合適的算法,最后運(yùn)用選擇出的Stam基于網(wǎng)格的算法模擬血流、煙霧等。(3)運(yùn)用ITK開源的分割器官工具,從所獲得的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)中手動(dòng)分割出系統(tǒng)所需的人體器官數(shù)據(jù),然后采用快速的、非參數(shù)的紋理合成技術(shù)為這

4、些器官創(chuàng)造合適的、可變的紋理,然后將這些紋理映射到預(yù)先分割好的三維軟組織模型的網(wǎng)格上,最后為了減少邊緣偽影,各個(gè)部分的紋理在交界處采用自動(dòng)混合的方法。(4)研究Phantom的工作機(jī)制,研究如何用力反饋設(shè)備控制手術(shù)器械進(jìn)行手術(shù)操作。由于此時(shí)的手術(shù)器械不再由Immersion Laparoscopic進(jìn)行控制,而是由力反饋設(shè)備進(jìn)行控制,這導(dǎo)致手術(shù)器械的顯示及控制都要進(jìn)行相應(yīng)的改變,主要將力反饋設(shè)備在真實(shí)空間中的位置坐標(biāo),通過一系列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)