微創(chuàng)虛擬手術(shù)中的血管建模與碰撞檢測(cè)算法研究.pdf

1、微創(chuàng)虛擬血管手術(shù)仿真系統(tǒng)結(jié)合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和虛擬仿真技術(shù)，通過對(duì)微創(chuàng)血管手術(shù)的模擬，為很多臨床醫(yī)生和實(shí)習(xí)生再現(xiàn)出了一個(gè)真實(shí)的手術(shù)場(chǎng)景，不但提高了用戶的手術(shù)技能，同時(shí)大大減少手術(shù)誤差。在保證安全的基礎(chǔ)上，微創(chuàng)虛擬手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)為手術(shù)過程提供足夠真實(shí)性的同時(shí)，還應(yīng)使醫(yī)生能自然和本能地控制工具的運(yùn)動(dòng)，充分利用其固有的感覺和反應(yīng)能力，發(fā)揮其熟練手術(shù)技能。這就要求系統(tǒng)具有高臨場(chǎng)感。為了解決仿真逼真性低、行為模型不夠完善以及實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性相矛

2、盾的問題，本文以腹主動(dòng)脈血管為研究對(duì)象，對(duì)微創(chuàng)虛擬血管手術(shù)仿真系統(tǒng)中的三維模型重建、幾何模型的優(yōu)化、物理形變模型仿真、實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，研究主要內(nèi)容概括如下:
　　(1)血管的三維幾何構(gòu)建是微創(chuàng)虛擬血管手術(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本文針對(duì)血管造影圖像對(duì)比度不均衡和血管邊界模糊的問題，采用Mimics15.0（Materialise公司，比利時(shí)）軟件對(duì)血管CT數(shù)據(jù)進(jìn)行了分割、編輯和三維重建，同時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化和檢驗(yàn)。通過

3、Mimics軟件，采用混合自動(dòng)分割的方式將血管組織分割出來，并通過空腔填充解決因造影圖像對(duì)比度不均勻造成的血管蒙版信息丟失的問題，同時(shí)，通過蒙版編輯對(duì)血管進(jìn)行邊界增強(qiáng)并去噪。
　　(2)針對(duì)血管壁復(fù)雜的組織構(gòu)成，本文采用基于四面體網(wǎng)格的粘彈性有限元模型來模擬血管的形變。由于有限元模型在形變過程中需要進(jìn)行大量的計(jì)算，在保證腹主動(dòng)脈血管形變模型的精度的同時(shí)，結(jié)合真實(shí)血管的形變數(shù)據(jù)，本文將血管分為線性彈性形變部分和非線性形變部分。同時(shí)，

4、本文利用Mimics軟件對(duì)有限元的四面體網(wǎng)格進(jìn)行分析和優(yōu)化，獲得高質(zhì)量的體網(wǎng)格。
　　(3)血管的有限元模型比較復(fù)雜，致使其碰撞檢測(cè)計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間相對(duì)較大。為了減少相交測(cè)試時(shí)間，提高檢測(cè)精度，本文提出了基于軸向包圍盒(Aligned AxisBounding Box，AABB)和離散方向包圍盒(Discrete Orientation Polytopes，K-DOPs)的混合雙層包圍盒碰撞檢測(cè)算法。該方法分為粗糙檢測(cè)和精確檢測(cè)兩

5、個(gè)階段，上層（外層）采用AABB快速排出不可能發(fā)生碰撞檢測(cè)的幾何集，下層（內(nèi)層）采用K-DOPs較精確地測(cè)試可能發(fā)生碰撞的幾何集并檢測(cè)出碰撞點(diǎn)。
　　本文通過模擬微創(chuàng)虛擬血管手術(shù)過程中血管與手術(shù)刀相接觸的場(chǎng)景，對(duì)血管的形變模型和碰撞檢測(cè)進(jìn)行了檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，通過Mimics進(jìn)行三維重建和模型優(yōu)化，不但提高了重建模型的精度，還極大地提高了建模的速度。改進(jìn)的血管形變模型以及用Mimics優(yōu)化后的體網(wǎng)格，不但減少了有限元形變求解計(jì)算量，