虛擬手術仿真中軟組織實時形變模型的研究.pdf

1、在虛擬手術仿真系統(tǒng)中,軟組織形變模型主要用于描述人體器官軟組織和手術器械之間的交互過程,它直接決定了手術仿真系統(tǒng)中視覺反饋和力覺反饋的精度、速度和仿真效果。由于軟組織是一種具有線性、非線性、不可壓縮性、各向異性和粘彈性等復雜性質的特殊彈性材料,解決軟組織形變模型的視覺/觸覺逼真度和計算實時性之間的矛盾是虛擬手術仿真系統(tǒng)當前重要的研究課題。本論文從研究解決以上難題為根本出發(fā)點,主要完成了如下一些研究工作:
　　 通過引入松弛函數(shù)(

2、Relaxation Function)和迭代更新(IterativeUpdateScheme)計算方法,基于Tensor-Mass模型(Tensor-Mass Model-TMM)提出了一種改進后的新模型(Improved Tensor Mass Model-ITMM)。ITMM模型主要特點是在原模型的基礎上增加了對軟組織粘彈性的描述能力,使得它可以比較全面地描述軟組織各種材料性質,同時卻沒有明顯地增加計算量,仍然可以滿足實時交互要求

3、。通過反求優(yōu)化算法(Inverse Optimization Algorithm),將ITMM模型仿真的數(shù)據(jù)與軟組織擠壓實驗數(shù)據(jù)進行了對比分析,測試結果表明:在經過優(yōu)化算法找到合適的模型參數(shù)后,ITMM模型具有很好的數(shù)據(jù)擬合能力,準確性高。同時,在一個虛擬肝臟手術仿真系統(tǒng)中,通過蠕變、松弛和Hysteresis等測試項目的檢測進一步驗證了ITMM模型的性能。
　　 與TMM模型一樣,ITMM模型實際上也是由彈簧質點模型和有限元模

4、型構成的混合模型。由于它對應變能函數(shù)(Strain Energy Function-SEF)定義相對簡單,盡管ITMM模型在TMM模型在增加了軟組織粘彈性的描述能力,ITMM模型描述軟組織不可壓縮性、各向異性等材料性質的能力仍有待提高。為進一步提高ITMM模型的性能,提出了一種全新基于彈簧質點模型和有限元模型的混合實時形變模型(Hybrid Real-time Deformable Model-HRDM)。HRDM模型是通過重新定義IT

5、MM模型的應變能函數(shù)定義得到的,可以看成是ITMM模型的一般化推廣。它完全按照連續(xù)介質彈性理論的方法導出節(jié)點內力計算公式,而在求解運動方程時候則采用與經典的彈簧質點模型相同的方法。因此,HRDM模型可以比較全面的描述軟組織各種材料特性并且保持了彈簧質點模型計算結構簡單、內存需求少和計算效率高的優(yōu)勢。HRDM模型參照ITMM模型驗證和測試方法進行類似的測試,實驗仿真數(shù)據(jù)表明HRDM模型在對軟組織材料性質描述能力較ITMM模型更優(yōu),運行效率

6、上達到了實時交互的要求。
　　 為了能夠描述軟組織表面微觀性質,本文提出了一種直接基于視覺紋理圖像利用保持邊緣特征的彩色圖像降噪算法獲得觸覺紋理(Haptic Texture)的方法。通過基于觸覺紋理的微觀力反饋渲染算法以摩擦力的形式進一步提高HRDM模型對手術器械和軟組織表面交互的渲染效果。這種微觀力反饋渲染算法不需要專門設計力反饋硬件設備,僅僅使用通用力反饋設備即可。另外,它最大的特點就是實現(xiàn)視覺和觸覺線索緊密融合,到達了“

7、所見即所觸”的效果,使得在虛擬手術環(huán)境下操作者獲得的沉浸感更強。
　　 手術的過程實際上就是醫(yī)生的手與眼睛相互協(xié)調,共同完成特定操作任務的過程。在虛擬手術仿真系統(tǒng)中提供立體顯示的功能,將能在視覺上提供真正的深度感覺,提高訓練效果。本文在分析各種立體顯示相關技術原理的基礎上,提出了一個虛擬手術仿真系統(tǒng)立體顯示子系統(tǒng)實現(xiàn)方案。該方案最主要的優(yōu)點就是它的軟硬件兼容性好,對現(xiàn)有程序改動量小和性價比高。
　　 將本文所研究成果應用