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鼻腔镜仿真训练的研究

王大君  
【摘要】:虚拟手术仿真训练系统是虚拟现实技术与医学的高级与复杂的结合,也是虚拟现实技术的典型应用,有着广阔的应用前景。目前,随着医学技术的发展,内窥镜手术的应用越来越广泛。它具有手术创口小、恢复速度快、病人痛苦小等优点。但是,内窥镜手术的复杂程度比较高,只有经过长时间的训练才能够熟练掌握。虚拟内窥镜手术仿真训练技术可以提供一种全新的训练手段。并可为其它医学虚拟手术的开展和更深层次的虚拟医学手术的研究提供理论依据和研制经验。 研究目的: 将基于医学图像的的三维几何模型重建、实时绘制技术和基于弹性物理模型的软组织建模技术有机的结合起来,提出一系列相关的具有一定普适性理论与实现算法,以满足虚拟手术仿真对真实感图像和实时力反馈交互的性能需求。 在理论的研究基础上,针对鼻腔镜手术(鼻息肉切除、上颌窦造口术)的典型应用,研究出适用于黄色人种生理结构的虚拟鼻腔镜手术仿真训练系统,使其达到实用化的程度。 针对虚拟医学手术的相关关键技术,提出较为通用的实用有效的解决理论、实现技术和方法,为其它医学手术、战场救护训练、远程医学等领域的研究和开发打下基础。 系统结构 在仿真过程中,可以看作由以下几部分组成: 1.碰撞检测 2.变形(或破裂、切除等)与相关计算 3.反馈力计算 解放军总医院 军医进修学院博土论文 摘 要 4.三维图形绘制计算 用户操作Sensable力反馈设备进行虚拟手术操作,力反馈设备将器械位 置(三维坐标)传送给高性能图形工作站进行碰撞检测计算;高性能图形工 作站根据碰撞检测信息和物理模型进行外力计算、变形计算、反馈力计算, 最后根据几何模型进行图形绘制计算,将三维虚拟器官视景显示在屏幕上; 图形工作站将解得的反馈力传送给力反馈设备产生反馈力。 系统功能 虚拟现实在医学上的应用起源于医学人员对复杂的三维医学解剖体数据 的可视化需求,进而发展到能对可视化的数据进行实时操作,从而建立可供 手术和手术前规划使用的虚拟环境。虚拟手术仿真系统在此基础上更进了一 步,具体功能为: 能从一种或多种医学检查设备(如 CT、MRI等)获取病人影像数据, 重构出手术虚拟视景所需的虚拟人体组织器官的三维儿何模型。 能逼真实时地显示三维的虚拟人体组织器官、手术特殊效果等虚拟手术 视景。 提供虚拟的真实感力反馈功能的手术器械进行手术操作练习。 提供较为真实的虚拟人体或器官的物理行为模型,在虚拟器械的操作 下,人们可以实时地与其进行交互,包括器官的变形和力的反馈。 测试结果: 演示过程和测试结果表明:虚拟鼻腔镜手术仿真训练系统结构简单、操 作简便、效果逼真,能够为鼻腔镜手术提供比较逼真和身临其境的训练效果, 对于训练提高鼻腔镜外科医生的手术水平发挥了的重要作用,达到了项目研 究的主要目标。综合测试结果,我们认为该系统具有以下先进性: 在国内首次采用人体冰冻切片数据进行了基于黄色人种鼻腔结构的三维 重建; 2 解放军总医院 军医进修学院博士论文 摘 要 在国内首次针对典型手术,建立了虚拟力学感应及反馈系统,实现了虚 拟鼻腔镜手术中的实时力反馈。关于医学手术的力学感应。反馈系统的首次 研制,填补了国内空臼; 系统采用简化的线弹性模型构建了虚拟鼻腔组织器官的生物物理模型, 井基于弹性有限元方法,利用医学实验数据结果,对模型的实时弹性形变算 法及其预处理和加速算法进行了研究,实现了较为逼真的软组织弹性形变; 系统采用弹簧-质于计算模型对手术中的实时力反馈进行仿真,实现了在手 术器械的不同大小压拉力作用下,鼻腔软组织器官实时表现出较逼真的不同 程度形变和反馈力: 系统利用粒于技术等技术实现了手术中逼真的流血特效和高光纹理,满 足了手术视景仿真的需要: 系统利用三维虚拟场景来支持应用相关数据的输人,该手段使开发虚拟 手术仿真训练系统更加实用有效,对开发者和最终用户更加友好,进一步增 强了人机交互的灵活性和方便性。 当前国内外对虚拟手术仿真训练系统的研究还不很成熟,目前已有的研 究成果多数只能用于技术演示和实验,达到完全实用化程度的还并不很多。 虚拟鼻腔镜仿真训练系统的研制成功,为我国虚


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