生物軟組織建模仿真方法研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)學(xué)仿真已經(jīng)從單一的視覺仿真逐漸向物理仿真和生理仿真發(fā)展。以虛擬手術(shù)仿真為代表的基于物理的醫(yī)學(xué)仿真的基礎(chǔ)問題是生物軟組織建模仿真，其主要任務(wù)是生物軟組織的幾何建模、物理建模、變形計(jì)算、碰撞檢測、交互操作、視覺繪制、觸覺反饋等。文章首先對這些關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用情況做了一個(gè)比較全面的概述，指出當(dāng)前研究的焦點(diǎn)是折中仿真的實(shí)時(shí)性和真實(shí)性。文章主要以廈門大學(xué)的國家自然基金項(xiàng)目一虛擬眼建模仿真課題為依托，以白內(nèi)障手術(shù)仿真

2、、肝臟手術(shù)仿真為背景，系統(tǒng)的研究了生物軟組織建模仿真的方法，并以福建省自然基金項(xiàng)目-虛擬手術(shù)仿真基礎(chǔ)平臺(tái)研究為基礎(chǔ)，分析設(shè)計(jì)了一個(gè)可擴(kuò)展的基礎(chǔ)框架。 生物軟組織仿真是多學(xué)科融合的應(yīng)用研究領(lǐng)域，文章系統(tǒng)的論述了生物軟組織建模仿真的一些基礎(chǔ)理論和方法，包括幾何模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和半面結(jié)構(gòu)；網(wǎng)格剖分和插值細(xì)分的基礎(chǔ)理論；生物軟組織的生物力學(xué)特性和典型的物理建模方法；CT圖像的基本原理。 白內(nèi)障手術(shù)仿真的第一步是撕囊。

3、囊膜是附著在晶狀體上的一層富有彈性的透明薄膜。文章系統(tǒng)地研究了囊膜建模仿真的全過程。用裂隙燈測量的數(shù)據(jù)擬合的多項(xiàng)式建立了晶狀體的輪廓曲線，然后經(jīng)旋轉(zhuǎn)離散建立了囊膜的三角面模型并用半邊結(jié)構(gòu)表示。使用準(zhǔn)靜態(tài)求解的線彈性質(zhì)點(diǎn)彈簧模型和碰撞檢測技術(shù)，建立了具有附著特性的囊膜物理仿真模型。通過一種漸進(jìn)動(dòng)態(tài)切割方法，實(shí)現(xiàn)了囊膜切割操作。依據(jù)斷裂力學(xué)的基本原理，分析、設(shè)計(jì)了囊膜撕裂的基本算法，實(shí)現(xiàn)了囊膜定向撕裂。虛擬器械與囊膜的交互不僅在視覺上給出反

4、饋，作者還建立了具有黏滯性摩擦反饋的觸力覺仿真模型，使交互觸摸、拉伸、切割和撕裂等更具有真實(shí)感。 白內(nèi)障手術(shù)仿真的另一重要步驟是碎核乳化過程即把膜下的皮質(zhì)和晶狀體核吸出體外。文章以三角面模型為限定，依Delaunay準(zhǔn)則對皮質(zhì)和核進(jìn)行了四面體剖分，并用半面數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示。對四面體剖分建立了對應(yīng)的質(zhì)點(diǎn)彈簧模型，提出了一種基于半面結(jié)構(gòu)的劈核仿真算法。把分核的結(jié)果視為類剛體，采用一種無網(wǎng)格的光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)模型SPH建模，在吸食器接觸

5、的一定的范圍內(nèi)的粒子采用隨機(jī)刪除機(jī)制刪除，以仿真乳化吸出過程。 基于醫(yī)學(xué)圖像的建模仿真是典型的醫(yī)學(xué)仿真過程，文章從CT醫(yī)學(xué)圖像的預(yù)處理-分割方法，MC表面重構(gòu)，QEM模型化簡與平滑等，到有限元建模，作了比較系統(tǒng)的論述。以肝臟、鼻咽部為例應(yīng)用了這些方法并作了一些改進(jìn)，如多組織的鼻咽部建模，優(yōu)化的QEM簡化方法等，還探討了黏彈性有限元建模問題。 文章針對面模型提出了一種局部自適應(yīng)建模仿真方法，該方法以一個(gè)可以接受的比較稀疏的

6、面模型為基礎(chǔ)，通過蝶型插值細(xì)分方法建立了若干細(xì)節(jié)層次，借助于一個(gè)森林結(jié)構(gòu)把它們組合起來，仿真時(shí)動(dòng)態(tài)地局部加細(xì)分，這樣在不增加模型整體復(fù)雜度的情況下，提高模型仿真的精度；在觸覺反饋計(jì)算中，提出了一個(gè)層次半邊碰撞檢測方法，大大減少了觸覺線程中碰撞檢測的開銷；為了加速物理仿真的計(jì)算，系統(tǒng)討論了GPU用于通用計(jì)算的基本特征和方法，提出了基于GPU的質(zhì)點(diǎn)彈簧建模方法，分析了基于GPU的有限元仿真加速的基本實(shí)現(xiàn)方法。 文章針對虛擬手術(shù)仿真的

7、應(yīng)用研究現(xiàn)狀提出了建立一個(gè)虛擬手術(shù)仿真基礎(chǔ)平臺(tái)，搭建一個(gè)可擴(kuò)展的基礎(chǔ)框架的重要性和實(shí)際意義。基于面向?qū)ο蟮姆椒?，從系統(tǒng)需求分析，功能分析出發(fā)，通過用例順序圖研究定義了與功能、場景相關(guān)的基礎(chǔ)類，分析了虛擬手術(shù)仿真的一些可擴(kuò)展點(diǎn)，給出了系統(tǒng)基礎(chǔ)框架的層次結(jié)構(gòu)體系模型。從框架設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基本設(shè)計(jì)模式出發(fā)討論了框架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本策略，以及雙線程的同步器共享的運(yùn)行機(jī)制。 總之，文章在實(shí)時(shí)和真實(shí)的折中平衡方面提出了幾種加速算法如自適應(yīng)局部求精