基于力反馈的虚拟膝关节镜手术系统的研究与实现

作     者：徐凯 

作者单位：国防科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：熊岳山

授予年度：2005年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：虚拟现实 虚拟手术 几何模型 网格平滑 力反馈 特效模拟 流血模拟 粒子系统 体系结构模式 MVC模式 

摘      要：虚拟手术是虚拟现实技术在现代医学领域中的应用。基于虚拟现实技术的手术仿真系统不但可以为医生提供内窥镜手术的训练平台，还可以辅助真实的手术治疗。它的出现大大方便了内窥镜手术的推广和应用。因此，虚拟手术具有很好的应用前景。 虚拟手术系统的研究与开发是一个极具挑战性的课题，它涉及诸多研究领域，如计算机图形学、数字图像处理、计算机视觉、力学、机器人学、医学等等。 在虚拟手术系统中，视觉和触觉反馈是用户和系统交互的两大重要方式。逼真、实时的视觉和触觉反馈可以增强系统的真实性和沉浸感。本文介绍了国家自然科学基金项目——基于力反馈的虚拟膝关节镜手术系统研究开发中模型可视化、力反馈计算、特效模拟以及软件结构设计等方面的内容。 在医学图像的三维重建及可视化方面，本文简单介绍了本系统所采用的基于断层轮廓线重建三维物体的方法。然后针对该方法重建出的三维模型网格的特点，提出了一种基于自适应网格的拉普拉斯平滑方法，该方法考虑了断层轮廓线之间的连续性，较好地解决了网格平滑中的几何特征保持等问题。 在力反馈计算方面，本文介绍PHANToM力反馈设备及其提供的两种基于表面的力反馈模型，然后提出了一种结合弹簧振子形变模型的力反馈模型，实现了损伤韧带探查的力反馈计算。 在特效模拟方面，本文重点阐述了流血模拟，并针对两类不同的流血现象分别提出了两种流血模型，均达到了较好的模拟效果。本文简要介绍了粒子系统的原理和方法，并用它实现了其它一些特殊效果的模拟。此外，本文还介绍了结合物理模型和纹理映射实现的针对一类特殊组织的模拟方法。 文章最后讨论了系统的软件体系结构设计问题，本文采用了基于模型-视图-控制器模式的虚拟膝关节镜手术系统软件结构设计方案，通过对视图概念的推广，使软件具有较清晰的结构以及良好的灵活性和可扩展性。论文最后是本课题的虚拟膝关节镜手术系统的实现效果和性能评测。