基于VR的虛擬手術(shù)仿真

1、基于VR的虛擬手術(shù)仿真,手術(shù)仿真系統(tǒng),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣闊應(yīng)用前景 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 內(nèi)窺鏡手術(shù)等先進(jìn)外科手術(shù)方式的出現(xiàn) 應(yīng)用：手術(shù)培訓(xùn)，手術(shù)計(jì)劃，手術(shù)治療 研究內(nèi)容： 醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的交互與可視化 組織變形的模擬 感官反饋的模擬,Satava的三代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)框架,第一代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)：著重于表現(xiàn)人體幾何特性 第二代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng) ：加入人體作為生物體的物理特性 第三代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)：考慮人體各器官的功能本質(zhì),系統(tǒng)功能模塊圖,幾何模型重建,層次四面體模型生成,三角片表面幾何重構(gòu)（最短對(duì)角線法） 斷層間層次四面體重構(gòu) （以一定的規(guī)則遍歷）,體模型簡化算法,四面體網(wǎng)格是一種普遍的體

2、模型表示方法。 大量的四面體數(shù)據(jù)使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、體繪制、有限元計(jì)算、實(shí)時(shí)處理等變得困難。 提出了直接針對(duì)四面體體數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化的新算法。,簡化算法思想,采用點(diǎn)刪除法簡化邊界面，保持邊界特性。,構(gòu)造六面體網(wǎng)格替代內(nèi)部四面體。,用四面體填充邊界面和六面體網(wǎng)格面連接處的空洞。,簡化算法優(yōu)點(diǎn),是一種體數(shù)據(jù)的簡化算法； 保持模型的邊界特性，簡化效果好； 允許用戶定義簡化程度，能建立多分辨率模型體數(shù)據(jù)； 實(shí)現(xiàn)簡單。,體模型簡化結(jié)果,組成模型四面體數(shù)： a:16104 b:7302 c:2671 d:1227 e:714 f:179,虛擬手術(shù)中的碰撞檢測,碰撞檢測貫穿于手術(shù)仿真的整個(gè)過程 手術(shù)器械與人體組織之間

3、的精確快速的碰撞檢測是計(jì)算軟組織變形和分裂的先決條件 根據(jù)碰撞檢測的結(jié)果，才能準(zhǔn)確地計(jì)算模型的變形。 虛擬手術(shù)中的碰撞檢測：剛體與軟體的碰撞檢測,碰撞檢測算法,提出了一種基于固定方向凸包包圍盒層次的碰撞檢測方法 提出了用以解決包圍盒間相交測試的快速區(qū)間測試法 提出了一種基于線性規(guī)劃的旋轉(zhuǎn)后包圍盒的快速計(jì)算方法以及一種自底向上的對(duì)象變形后包圍盒樹的快速更新算法,碰撞檢測算法比較,手術(shù)仿真中的軟組織切割,兩種不同的切割處理策略：,切割判據(jù),切割條件 虛擬器械與軟組織接觸 應(yīng)力超過屈服條件,切割公式,四面體切割,虛擬器械的運(yùn)動(dòng)軌跡,平面四邊形,四邊形與四面體求交,四面體與平面求交,裁剪切割多邊形,四

4、面體的分割,交點(diǎn)分類,點(diǎn)交點(diǎn),線交點(diǎn),面交點(diǎn),體交點(diǎn),點(diǎn)交點(diǎn)判斷點(diǎn)是否需要分裂,線交點(diǎn)一分為二,面交點(diǎn)一分為三,體交點(diǎn)一分為四,粘彈性模型,幾點(diǎn)假設(shè)： 瞬時(shí)應(yīng)變彈性 應(yīng)變和位移呈線性關(guān)系 應(yīng)變由彈性和蠕變兩部分組成 蠕變應(yīng)變率是應(yīng)力和應(yīng)變的函數(shù),粘彈性模型的系統(tǒng)方程：,由虛功原理得到的系統(tǒng)平衡方程：,引入粘彈性物理模型得到：,V為整個(gè)粘彈性體域，S為力邊界,有限元計(jì)算模型,連續(xù)的求解區(qū)域離散化，連續(xù)的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散的有限自由度問題 單元分析階段 單元矩陣計(jì)算（剛度、質(zhì)量、載荷） 整體組合階段 單元矩陣到整體矩陣的組合 約束處理 加入各節(jié)點(diǎn)的約束完成系統(tǒng)方程組 方程求解 求解系統(tǒng)方程組 應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算 各單元的應(yīng)變、應(yīng)力計(jì)算,立體紋理映射