虛擬手術(shù)仿真中軟體建模與碰撞檢測(cè)技術(shù)的研究.pdf

1、虛擬手術(shù)技術(shù)屬于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)療方面的分支，它是計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)等多學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域，因其在手術(shù)訓(xùn)練、術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中導(dǎo)航等方面的突出作用，使其在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展中受到越來越多的重視。在虛擬手術(shù)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域中，虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)占比最大，它利用計(jì)算機(jī)建立一個(gè)虛擬環(huán)境來模擬真實(shí)世界中的手術(shù)訓(xùn)練場(chǎng)景，在這個(gè)虛擬環(huán)境中受訓(xùn)醫(yī)護(hù)人員通過力交互設(shè)備控制手術(shù)器械對(duì)手術(shù)對(duì)象施行各種操作，虛擬環(huán)境為受訓(xùn)醫(yī)護(hù)人員提供視覺和觸覺等感官上的逼真反

2、饋。這樣的系統(tǒng)用于醫(yī)務(wù)人員的培訓(xùn)，可以減少培訓(xùn)費(fèi)用，提升培訓(xùn)效果。在這樣的系統(tǒng)中最關(guān)鍵同時(shí)也是最難的技術(shù)就是軟體的物理建模和虛擬環(huán)境中的碰撞檢測(cè)技術(shù)，這兩項(xiàng)技術(shù)左右著虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)真實(shí)感和實(shí)時(shí)性兩項(xiàng)重要性能指標(biāo)，本文針對(duì)這兩項(xiàng)技術(shù)展開研究。
　　本文首先對(duì)軟體物理建模技術(shù)進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)中軟體物理建模應(yīng)用最廣的是質(zhì)點(diǎn)-彈簧（Mass-Spring Model, MSM）與有限元（Finite Element Mo

3、del, FEM）等基于網(wǎng)格的方法。MSM具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、處理切割和縫合操作簡(jiǎn)單、去除節(jié)點(diǎn)和增加節(jié)點(diǎn)較容易和實(shí)時(shí)性高的優(yōu)點(diǎn)；但是其存在大變形失真、穩(wěn)定性不好的缺點(diǎn)。FEM擁有仿真形變逼真度高的優(yōu)點(diǎn)；但存在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高、計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性不佳的缺點(diǎn)。針對(duì)上述傳統(tǒng)方法存在的問題，本文將基于形狀匹配的無網(wǎng)格方法應(yīng)用在軟體的物理建模中，該方法不需要網(wǎng)格劃分，粒子之間不需要連接信息、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，在軟體變形實(shí)時(shí)性、精度、大變形、穩(wěn)定性方面都能得到滿意的

4、效果。其次，對(duì)如何提升碰撞檢測(cè)的性能進(jìn)行了一定的探索。根據(jù)不同包圍盒法適用于不同基本圖元相交率下的碰撞情況的特性，在碰撞預(yù)檢測(cè)階段提出使用Sphere-AABB復(fù)合層次包圍盒法，在碰撞詳細(xì)檢測(cè)階對(duì)于海燕等人提出的基于投影降維的用于三角形間的碰撞檢測(cè)算法改進(jìn)后進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在相交三角形數(shù)量任意數(shù)值下，本文算法相比傳統(tǒng)單一層次包圍盒結(jié)合M?ller三角形相交測(cè)試的算法都有更高的檢測(cè)效率、精確度和穩(wěn)定性。最后，運(yùn)用上面的物理建模和碰撞