【大学】基于VR的虚拟手术仿真

手术仿真系统虚拟现实技术的飞速发展和广阔应用前景虚拟现实系统技术在现代医学中的应用内窥镜手术等先进外科手术方式的出现应用：手术培训，手术计划，手术治疗…研究内容：医学数据的交互与可视化组织变形的模拟感官反馈的模拟第一页，共二十五页。Satava的三代医学仿真系统框架

第一代医学仿真系统：着重于表现人体几何特性第二代医学仿真系统：加入人体作为生物体的物理特性第三代医学仿真系统：考虑人体各器官的功能本质

第二页，共二十五页。系统功能模块图

第三页，共二十五页。几何模型重建第四页，共二十五页。层次四面体模型生成三角片表面几何重构（最短对角线法）

断层间层次四面体重构（以一定的规则遍历）第五页，共二十五页。体模型简化算法四面体网格是一种普遍的体模型表示方法。大量的四面体数据使得数据存储、体绘制、有限元计算、实时处理等变得困难。提出了直接针对四面体体数据进行简化的新算法。第六页，共二十五页。简化算法思想采用点删除法简化边界面，保持边界特性。构造六面体网格替代内部四面体。用四面体填充边界面和六面体网格面连接处的空洞。第七页，共二十五页。简化算法优点是一种体数据的简化算法；保持模型的边界特性，简化效果好；允许用户定义简化程度，能建立多分辨率模型体数据；实现简单。第八页，共二十五页。体模型简化结果组成模型四面体数：

a:16104b:7302c:2671d:1227e:714f:179第九页，共二十五页。虚拟手术中的碰撞检测碰撞检测贯穿于手术仿真的整个过程手术器械与人体组织之间的精确快速的碰撞检测是计算软组织变形和分裂的先决条件

根据碰撞检测的结果，才能准确地计算模型的变形。虚拟手术中的碰撞检测：刚体与软体的碰撞检测第十页，共二十五页。碰撞检测算法提出了一种基于固定方向凸包包围盒层次的碰撞检测方法

提出了用以解决包围盒间相交测试的快速区间测试法

提出了一种基于线性规划的旋转后包围盒的快速计算方法以及一种自底向上的对象变形后包围盒树的快速更新算法

第十一页，共二十五页。碰撞检测算法比较第十二页，共二十五页。手术仿真中的软组织切割两种不同的切割处理策略：去除法切割法去除某些切割到的基元，并改变相关的局部，全局参数将切割到的基元分裂成若干个小基元方法描述优点缺点实现简单，减少基元数目有可信的切割边界切割边界走样（锯齿状）产生很多小基元，系统负担加剧，需对模型重新生成第十三页，共二十五页。切割判据切割条件虚拟器械与软组织接触应力超过屈服条件切割公式第十四页，共二十五页。四面体切割虚拟器械的运动轨迹平面四边形四边形与四面体求交四面体与平面求交裁剪切割多边形第十五页，共二十五页。四面体的分割交点分类点交点线交点面交点体交点点交点—判断点是否需要分裂线交点—一分为二面交点—一分为三体交点—一分为四第十六页，共二十五页。粘弹性模型几点假设：瞬时应变弹性应变和位移呈线性关系

应变由弹性和蠕变两部分组成

蠕变应变率是应力和应变的函数

第十七页，共二十五页。粘弹性模型的系统方程：由虚功原理得到的系统平衡方程：引入粘弹性物理模型得到：V为整个粘弹性体域，S为力边界第十八页，共二十五页。有限元计算模型连续的求解区域离散化，连续的无限自由度问题转化为离散的有限自由度问题单元分析阶段单元矩阵计算（刚度、质量、载荷）整体组合阶段单元矩阵到整体矩阵的组合约束处理加入各节点的约束完成系统方程组方程求解求解系统方程组应力应变计算各单元的应变、应力计算第十九页，共二十五页。立体纹理映射第二十页，共二十五页。实验结果（一）第二十一页，共二十五页。实验结果（二）第二十二页，共二十五页。实验结果（三）第二十三页，共二十五