虛擬手術(shù)系統(tǒng)中模擬手術(shù)場景的渲染和平臺的構(gòu)建.pdf

1、進(jìn)入20世紀(jì)后期,以腔鏡技術(shù)為代表的微創(chuàng)外科手術(shù)技術(shù)發(fā)展迅速。 微創(chuàng)手術(shù)與傳統(tǒng)手術(shù)比較，具有創(chuàng)傷小、恢復(fù)快、并發(fā)癥少、麻醉時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。因此微創(chuàng)手術(shù)正在得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。然而，由于微創(chuàng)手術(shù)本身的特點(diǎn)，醫(yī)生只能通過內(nèi)窺鏡看到病人體內(nèi)的局部狀況，這樣對醫(yī)生來說手術(shù)難度大大增加，而且對經(jīng)驗(yàn)值的依賴也比傳統(tǒng)手術(shù)來的高。所以對醫(yī)生來說，術(shù)前的訓(xùn)練十分重要。本文所探討的虛擬手術(shù)系統(tǒng)的目的就是利用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)給醫(yī)生提供手術(shù)的訓(xùn)練環(huán)境

2、，讓更多的醫(yī)生更短時(shí)間內(nèi)掌握微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)。 本文主要研究保證系統(tǒng)視覺真實(shí)感的手術(shù)場景的渲染和整個(gè)虛擬手術(shù)平臺的構(gòu)建。首先通過研究流體力學(xué)的Navier-Stokes 方程組的數(shù)值化解法來進(jìn)行體內(nèi)血流在內(nèi)窺鏡視野中的渲染，造成內(nèi)窺鏡鏡頭模糊的效果，訓(xùn)練醫(yī)生在此特殊環(huán)境下的處理。然后通過模擬其他的場景元素：組織液漂浮物，人體體腔背景貼圖和手術(shù)器械建模等，來讓手術(shù)場景更加真實(shí)。最后章節(jié)簡述了系統(tǒng)的層次架構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，如何使整個(gè)系統(tǒng)降

3、低耦合度，對各個(gè)場景渲染模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以確定達(dá)到最佳的視覺效果，并且講述了如何把血流渲染子模塊整合到現(xiàn)有模擬系統(tǒng)中。 本文的工作和主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下： 1. 對與系統(tǒng)訓(xùn)練效果直接相關(guān)的血流渲染模塊進(jìn)行了重點(diǎn)的研究。 對不同的數(shù)值化方法進(jìn)行了比較分析，決定一個(gè)最適合本系統(tǒng)的方法來實(shí)現(xiàn)血流模擬。 2. 實(shí)現(xiàn)血流渲染模塊并且按照系統(tǒng)的需求把算法進(jìn)行了修改和創(chuàng)新，如邊界條件的處理等。也對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)試，使渲染的視覺

4、效果更加的逼真。 3. 使用不同的技術(shù)模擬其他的場景元素，如用粒子系統(tǒng)模擬了組織液漂浮物，用不同的混合設(shè)置進(jìn)行背景的貼圖處理，創(chuàng)新性的使用了矩陣管道準(zhǔn)確定位手術(shù)器械模型。 4. 對整個(gè)手術(shù)系統(tǒng)的框架進(jìn)行了模塊化的重建，運(yùn)用了設(shè)計(jì)模式的知識，對模塊間的交互等進(jìn)行低耦合設(shè)計(jì)，大大的提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。 5. 把用OpenGL 實(shí)現(xiàn)的血流渲染子模塊整合到虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)平臺中。創(chuàng)新的設(shè)計(jì)出使用VTK的多邊形源