虚拟手术中软组织模型形变技术研究

作     者：顾懿周 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：叶秀芬

授予年度：2011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：虚拟手术 形变模型 质点弹簧系统 病灶 力反馈 

摘      要：针对现代医学日益增长的需要,虚拟现实技术与医学手术相结合形成了现代医学领域中的重要应用——虚拟手术。虚拟手术为用户提供了手术场景的真实再现,可应用于手术术前规划、术中导航和外科医生培训等领域,对手术训练和复杂手术的推广起到巨大的正面作用。由于在外科手术的实施过程中,医生接触的大多是人体软组织,因而,具有物理真实性能的人体软组织形变的仿真是虚拟手术系统的关键技术之一,同时它也严重制约着虚拟手术技术的发展。 本文以病患的真实医学图像作为原始数据,设计实现一个基于力反馈的人体软组织器官形变仿真系统,该系统具有病灶位置圈定功能。 首先,针对基于力反馈的虚拟手术系统的构成要素,确定系统的软硬件组成和系统的总体结构框架与软件功能模块。 其次,对病患的软组织器官原始数据文件进行预处理和程序读取,实现系统的软组织器官模型的几何建模,并将患者以DICOM格式存储的CT序列图像进行三维重建以起到术前辅助观察的作用。 再次,在已有几何模型的基础上,结合设计的特殊数据结构——边的邻接矩阵,运用质点弹簧系统原理建立软组织器官的物理模型。分析软组织形变的力学特性,运用4阶龙格-库塔法和力的传播模型原理实现软组织器官形变功能模拟。 最后,基于医学实际和边的邻接矩阵设计病灶边界查询算法,实现带有病灶圈定功能的软组织器官形变模拟以及对操作者的力反馈输出,其中,病灶的中心位置和大小可以调节。 系统利用OpenGL三维图形标准建立病患软组织器官表面模型,使用PHANToM Omni触觉交互设备实现虚拟手术器械与人体软组织模型的交互作用,采用基于质点弹簧系统和力的传播模型的软组织形变模型。实验结果表明该系统的力觉双向反馈功能满足交互的多通道要求,富于医学真实的软组织模型和高效的数据层级处理模式较好地平衡了虚拟手术系统对模型真实性和实时性的双重要求。