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粘弹性软组织建模和切割及虚拟仿真实验研究

鲍义东  
【摘要】:虚拟手术仿真系统提供的手术训练模式具有无损伤性、可重复性和沉浸感强等特点。虚拟手术仿真系统不仅可以降低手术训练成本、实现训练资源的重复利用,而且还能消除手术训练风险,在当前医生手术训练模式下应用越来越广泛。本文围绕虚拟手术仿真系统中软组织建模方法、碰撞检测技术、图像处理及场景渲染和实时力触觉反馈等关键技术,重点研究建立粘弹性软组织模型及其有效的切割算法、复杂不规则几何形状物体之间的碰撞检测、图像分割算法和血液流动仿真,以提高虚拟手术仿真系统的精确性、实时性和交互性。针对网格软组织建模方法和无网格软组织建模方法的特点,提出并构建一个基于三参量填充球的粘弹性软组织模型。该模型由密集填充球组成,填充球之间采用三参量粘弹性结构连接。搭建软组织特性测量平台,测量真实肝脏和肾脏力位移和应力松弛数据。与该数据比较,仿真结果验证三参量填充球的粘弹性软组织模型的精确性。与质点弹簧模型相比,仿真结果验证三参量填和充球的粘弹性软组织模型具有更好的蠕变和稳定性。针对不同生物特性的软组织器官,在三参量填充球的粘弹性软组织模型的基础上,提出针对该模型不同的面切割和体切割方法。面切割方法的表面网格切割通过三角形顶点移动方法形成切口,采用二次贝塞尔曲线平滑切口。体切割方法的表面网格切割是根据切割线上与三角网格交点,复制交点并生成新的子三角形,连接子三角形与切割深度位置的外层网格,形成切口。这两种方法不需要重建网格,在保证实时性的同时,提高切口平滑度。面切割和体切割的填充球之间的切割方法是根据填充球之间断裂后,受力分析得到切口形变方程,分离填充球形成切口,表现出良好的粘弹特性。为了实现不规则几何形状的虚拟器械与软组织的切割,要首先获取两者的精确碰撞位置,提出二进制编码八叉树结构及自适应三角网格细分的碰撞检测方法。二进制编码八叉树结构占用存储空间小,保证实时性且具有良好的拓扑结构,根据空间碰撞物体的AABB包围盒平均长度的八叉树子单元大小划分方法,与已有文献的包围球相比,八叉树生成速度更快且有效。提出自适应三角网格细分方法,采用三角形中心距离方法,检测相邻空间中三角形碰撞,减少误判现象。仿真结果验证碰撞检测方法的实时性和精确性。为了使建立的三参量填充球模型中的外层网格和填充球排列位置和病人真实软组织器官轮廓一致,需要获取精确的医学目标图像,通过图像滤波、图像预分割和图形分割三个步骤实现。提出的自适应加权中值图像滤波算法,使得窗口中心的像素灰度值和窗口内相邻像素相关,增强图像滤波后的平滑度,特别是窗口在边缘位置时更有效。采用基于最优阈值的蚁群模糊聚类算法进行图像预分割,避免蚁群算法容易陷入局部极小值,提高确定目标分类的收敛速度。提出基于改进约束轮廓线扩散的GVF-Snake算法分割医学细图像。针对含有病灶医学图像,利用半自动约束轮廓线扩散的方法,对灰度值相差较大的目标图像进行分割,仿真结果得到更小的图像轮廓误差,验证算法的有效性。为了验证论文研究的建模方法、切割方法、碰撞检测及血液流变仿真的有效性,进行虚拟可操作软组织仿真系统验证实验。使用力反馈设备完成粘弹性软组织模型的触诊和切割操作,得到实时反馈数据,验证碰撞检测实时性、软组织触碰后的粘弹性、模型切割后的粘弹性和良好的切口平滑度。为了提高虚拟可操作仿真系统的逼真度和渲染感,提出基于改进可变距离光滑长度的光滑粒子动力学(SPH)血液流变仿真方法。该方法利用可变距离光滑长度,使得支持域内粒子之间的密度变化率更小,仿真结果表明血液流动仿真时粒子之间的压力及粘滞力更稳定。


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