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虚拟肝脏手术中软组织切割模拟技术研究 |
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【摘要】：随着现代医学的发展,越来越多的高新尖端技术被应用到外科临床手术中。随着而来的问题是外科医生的技能培训越来越复杂,训练成本越来越高。上世纪九十年代开始兴起的虚拟现实技术,给解决这个问题提供了一个新的途径,通过构建虚拟手术系统来训练医生的技能,达到节约训练成本,缩短训练时间的目的。虚拟手术系统最初仅仅是用作辅助医生进行手术的多媒体技术。随着技术的发展,计算机功能越来越强大,人们开始尝试用虚拟手术系统来模拟仿真现实中的手术,以用来训练医生和预演手术实例。目前做得比较成功的大都是虚拟内窥镜手术或是虚拟显微外科手术,但类似于肝脏手术这类大型的外科手术在工程实现上却并不成熟。主要原因在于没有合适地模拟交互设备以及对于复杂的软组织器官没有有效的模拟仿真手段。本课题针对上述问题,对软组织的形变切割等问题进行了深入的研究,并搭建了一个由两台力反馈设备和一台PC机构成虚拟肝Ⅶ段切除手术系统。人体的软组织和器官种类丰富,物理性质都不尽相同。所以我们在进行针对软体的形变建模时不能使用单一的模型,必须针对不同特性的组织使用不同的方法进行建模。最后通过力反馈设备和PC机同用户进行触觉和视觉上的交互。目前主流的针对软体的形变方法主要分为三大类:弹簧振子方法,有限元方法以及基于位置的形变模拟方法。本课题对弹簧振子方法和基于位置的形变模拟方法做了较为深入的研究。本文的主要工作如下:1)针对不同物理特性的软组织,设计了分别基于这两种方法的改进的模拟仿真方法。并提出了一种基于Lattice架构的异构模型,有效地解决了传统方法在仿真模拟时性能与效果的矛盾。2)在软组织切割问题上,我们利用上述基于Lattice架构的异构模型,设计了一种高效的切割算法。创新地利用体元的复制来代替传统方法中体元的细分,从而避免了在多刀切割时可能发生的碎片化问题,有效避免了在模拟过程中模型质量的退化。3)针对传统的Delaunay三角化算法的两个主要缺点,设计了一种改进的自适应Delaunay三角化算法,并将其应用在切割模拟中的伤口重建过程中。4)将设计的软体形变以及切割算法应用到了虚拟肝Ⅶ段切除手术系统中,有效地实现了肝脏包膜,肝脏等组织的切割模拟仿真。实验结果表明,我们设计的切割算法具有良好的实时性和有效性,完全可以满足大型外科虚拟手术开发的应用需求。
【关键词】：虚拟手术 形变模拟 软组织切割模拟 弹簧振子模型 基于位置的形变模拟 形状匹配
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R657.3;TP391.9
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