虚拟手术训练系统中手术场景的模拟及系统集成

【摘要】： 虚拟手术训练系统是数字医疗研究的热点问题之一,它主要应用于教学、培训、诊断和术前计划等。模拟的手术场景作为给被训练者最直观的印象,在虚拟手术训练系统中起着很重要的作用。手术场景渲染得越真实,越接近真实的手术环境,就越可以提高训练的效果;反之,即使系统提供的功能再强大,却只能达到事倍功半的效果。本文着眼于此,主要研究如何逼真地模拟手术场景并将其应用到虚拟手术训练系统中。 本文首先研究流体模拟的相关算法并将其分别实现,从中选择合适的算法用于模拟血流,进而将其应用于模拟手术器械通电切割组织而产生的烟雾;其次研究了如何从获得的医学数据中分割出人体相关器官数据,并将其在计算机中真实地显示出来;接着研究了Phantom的工作机制,研究如何用力反馈设备控制手术器械进行手术操作;最后将上述的这些渲染模块集成入系统,通过一系列实验证明了这些模块的加入极大地增强了系统真实感。 本文的主要工作和研究成果如下: (1)通过研读国内外的相关文献,了解本文所需的相关理论,着重研究血流模拟的算法,由于血流模拟属于流体研究的一种应用,因此同时也阅读了不少关于流体的论文。 (2)根据实验室系统性能上的要求,选择合适的血流模拟算法。在此过程中,为了找到合适的模拟血流的算法,分别实现了Stam基于网格的算法和改进的SPH算法,将它们的性能进行对比选择合适的算法,最后运用选择出的Stam基于网格的算法模拟血流、烟雾等。 (3)运用ITK开源的分割器官工具,从所获得的医学数据中手动分割出系统所需的人体器官数据,然后采用快速的、非参数的纹理合成技术为这些器官创造合适的、可变的纹理,然后将这些纹理映射到预先分割好的三维软组织模型的网格上,最后为了减少边缘伪影,各个部分的纹理在交界处采用自动混合的方法。 (4)研究Phantom的工作机制,研究如何用力反馈设备控制手术器械进行手术操作。由于此时的手术器械不再由Immersion Laparoscopic进行控制,而是由力反馈设备进行控制,这导致手术器械的显示及控制都要进行相应的改变,主要将力反馈设备在真实空间中的位置坐标,通过一系列的坐标转换,变换为世界坐标下的手术器械的坐标,这样当力反馈设备移动时,虚拟手术器械也随之一起移动。 (5)将分别实现的渲染模块集成入虚拟手术训练系统,模拟在手术过程中,手术器械切割器官时血流在人体内部流动,小的出血点缓慢地渗出血流,手术器械灼烧器官产生的烟雾等多个手术场景。