虛擬手術(shù)中的軟組織建模與應(yīng)用.pdf

1、虛擬手術(shù)仿真(Virtual Surgery Simulation)是專門用來模擬在手術(shù)過程可能遇到的各種現(xiàn)象的虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)應(yīng)用系統(tǒng)。其研究內(nèi)容包括對醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的處理與可視化、虛擬人體器官在虛擬手術(shù)器械作用下的各種變化的模擬及對操作人員的各種感官反饋(如視覺反饋和力反饋等)的模擬等，是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的重要應(yīng)用。虛擬手術(shù)仿真研究涉及計算機圖形學(xué)、計算機視覺、彈性力學(xué)、生物力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料學(xué)、機器人

2、學(xué)、醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域，通過上述領(lǐng)域知識實現(xiàn)組織器官對象的幾何模型、物理/計算模型、碰撞檢測、對象實時變形(響應(yīng)、破裂等)、手術(shù)過程真實感繪制、力反饋等功能。其中人體軟組織器官的幾何/物理/計算建模是實現(xiàn)虛擬手術(shù)仿真的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于跨學(xué)科的特點，人體軟組織器官的幾何/物理/計算建模研究與其它相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)相比相對滯后，己經(jīng)成為該類系統(tǒng)研究和應(yīng)用的瓶頸。 本文主要根所虛擬手術(shù)仿真的特點，提出了一種新的混合建模方法。首先在幾何模型中

3、，在面模型上研究了從三維體數(shù)據(jù)直接生成等值面的三維重建面方法——移動立方（Marching Cubes）法，然后又對生成的面模型使用了三角形刪除（Triangle Decimation）算法以進行簡化以減少運算量；而在體模型上則使用了以一種全自動方法生成的物體的骨架，使用骨架作為物體的體模型。而在物理模型中，對面模型使用質(zhì)點彈簧模型進行建模而對體模型使用了桿狀有限元進行建模，達到實時繪制與準確性的有效平衡。本文還研究了多種碰撞檢測模型，

4、包圍球、AABB包圍盒、OBB包圍盒、K-DOPs包圍盒并分析了它們的優(yōu)缺點并提出了我們的基于骨架的包圍球碰撞檢測模型。同時本文還介紹了基于本文模型的實現(xiàn)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的架構(gòu)、實現(xiàn)的方法、遇到的問題等。本文還介紹了實現(xiàn)系統(tǒng)的實驗效果，列出了部分實驗數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行了分析。 本文的特點在于，綜合考慮了虛擬手術(shù)仿真的實時性和準確性要求，提出了基于骨架的混合模型。在面模型上對傳統(tǒng)的等值面進行了三角形刪除，不僅減少了計算量還使表面更