基于vr的虚拟手术仿真

基于vr的虚拟手术仿真基于vr的虚拟手术仿真第1页手术仿真系统虚拟现实技术飞速发展和辽阔应用前景虚拟现实系统技术在当代医学中应用内窥镜手术等先进外科手术方式出现应用：手术培训，手术计划，手术治疗…研究内容：医学数据交互与可视化组织变形模拟感官反馈模拟基于vr的虚拟手术仿真第2页Satava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征第二代医学仿真系统：加入人体作为生物体物理特征第三代医学仿真系统：考虑人体各器官功效本质

基于vr的虚拟手术仿真第3页系统功效模块图

基于vr的虚拟手术仿真第4页几何模型重建基于vr的虚拟手术仿真第5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（以一定规则遍历）基于vr的虚拟手术仿真第6页体模型简化算法四面体网格是一个普遍体模型表示方法。大量四面体数据使得数据存放、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新算法。基于vr的虚拟手术仿真第7页简化算法思想采取点删除法简化边界面，保持边界特征。结构六面体网格替换内部四面体。用四面体填充边界面和六面体网格面连接处空洞。基于vr的虚拟手术仿真第8页简化算法优点是一个体数据简化算法；保持模型边界特征，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。基于vr的虚拟手术仿真第9页体模型简化结果组成模型四面体数：

a:16104b:7302c:2671d:1227e:714f:179基于vr的虚拟手术仿真第10页虚拟手术中碰撞检测碰撞检测贯通于手术仿真整个过程手术器械与人体组织之间准确快速碰撞检测是计算软组织变形和分裂先决条件

依据碰撞检测结果，才能准确地计算模型变形。虚拟手术中碰撞检测：刚体与软体碰撞检测基于vr的虚拟手术仿真第11页碰撞检测算法提出了一个基于固定方向凸包包围盒层次碰撞检测方法

提出了用以处理包围盒间相交测试快速区间测试法

提出了一个基于线性规划旋转后包围盒快速计算方法以及一个自底向上对象变形后包围盒树快速更新算法

基于vr的虚拟手术仿真第12页碰撞检测算法比较基于vr的虚拟手术仿真第13页手术仿真中软组织切割两种不一样切割处理策略：去除法切割法去除一些切割到基元，并改变相关局部，全局参数将切割到基元分裂成若干个小基元方法描述优点缺点实现简单，降低基元数目有可信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，需对模型重新生成基于vr的虚拟手术仿真第14页切割判据切割条件虚拟器械与软组织接触应力超出屈服条件切割公式基于vr的虚拟手术仿真第15页四面体切割虚拟器械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基于vr的虚拟手术仿真第16页四面体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—一分为四基于vr的虚拟手术仿真第17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个别组成

蠕变应变率是应力和应变函数

基于vr的虚拟手术仿真第18页粘弹性模型系统方程：由虚功原理得到系统平衡方程：引入粘弹性物理模型得到：V为整个粘弹性体域，S为力边界基于vr的虚拟手术仿真第19页有限元计算模型连续求解区域离散化，连续无限自由度问题转化为离散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组合约束处理加入各节点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应变、应力计算基于vr的虚拟手术仿真第20页立体纹理映射基于vr的虚拟手术仿真第21页试验结果（一）基于vr的虚拟手术仿真第22页试验结果（二）基于vr的虚拟手术仿真第23页试验结果（三）