虛擬手術仿真系統(tǒng)關鍵技術的研究

1、虛擬手術仿真系統(tǒng)關鍵技術的研究        摘  要: 虛擬手術仿真系統(tǒng)由于其顯而易見的重要性得到了醫(yī)學界的廣泛重視，本文對虛擬手術系統(tǒng)的關鍵技術進行了深入研究，對其系統(tǒng)架構(gòu)、主要功能模塊進行了論述。相信該研究工作將能夠為搭建虛擬手術系統(tǒng)平臺提供重要的技術支持。關鍵詞: 研究; 虛擬手術；仿真；中圖分類號V211 文獻標識碼：A    文章編號：1672-3791(2010)07(a)-0000-00 1   關鍵技術1.1

2、   醫(yī)學數(shù)據(jù)處理 主要包括數(shù)據(jù)存取數(shù)據(jù)預處理。對于醫(yī)學仿真系統(tǒng)來說，醫(yī)學數(shù)據(jù)存取I/O模塊是進一步數(shù)據(jù)處理的基礎。I/O模塊需要對常見的醫(yī)學圖像種類提供存取和顯示功能。在I/O模塊存取醫(yī)學圖像之后需要對原始圖像中感興趣的部分進行提取和數(shù)據(jù)預處理，然后才能進行下一步的三維重建和可視化處理。這里需要一些預處理技術，比如圖像增強、邊界提取、分割和配準等等。Insight Segmentation and Registration Toolkit （ITK）2，是一個開源軟件系統(tǒng)，廣泛的用于醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)集的分割和配準。1.2   三維重建 

3、經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理階段以后，需要進行進行三維體數(shù)據(jù)可視化。最常用的繪制技術包括面繪制和體繪制。面繪制根據(jù)采樣值的分布變化確定物體的邊界，然后用適當?shù)臄?shù)學方法描述物體表面，進而表現(xiàn)器官和軟組織表面特征。體繪制在不構(gòu)造物體表面幾何描述的情況下，直接對體數(shù)據(jù)進行顯示，可以不同的程度表現(xiàn)物體的細微結(jié)構(gòu)變化34。面繪制通常比體繪制速度要快，但需要避免出現(xiàn)一些繪制錯誤的發(fā)生。常用的算法是移動立方體Marching Cubes5及其變形。Visualization Toolkit (VTK) 6是一個常用的三維數(shù)據(jù)可視化顯示的開源工具庫。1.3   變形模型仿真的真實感很大程度上取決于仿真的

4、準確性和變形模型下的計算效率。變形模型應該能夠準確的模擬器官和軟組織被刺戳、拉伸、切割時引起的形變，并在繪制的時候保持必要的實時性。物理模型能夠體現(xiàn)物理的材料特性。在手術仿真中，質(zhì)點彈簧模型和有限元模型是最經(jīng)常使用的兩種三算法。離散的質(zhì)點彈簧模型計算復雜度低且易于實現(xiàn)。有限元模型對連續(xù)特征進行嚴格的數(shù)學分析來進行機械建模，從而得到了較好的仿真精度，但是會產(chǎn)生較大的計算量。1.4   碰撞檢測在手術仿真過程中，虛擬手術器械和虛擬器官之間的碰撞檢測至關重要。層次包圍盒方法經(jīng)常用于碰撞檢測，包括沿坐標軸的包圍盒(AABB)、包圍球(SBB)、方向包圍盒(OBB)等。為了保證碰撞檢

5、測的實時性和精確性，在此可以考慮采用混合模型算法，將OBB和AABB結(jié)合起來發(fā)揮各自不同的優(yōu)點。AABB首先用來初步檢測碰撞是否發(fā)生，如果發(fā)生了碰撞再用OBB進行精確檢測。否則，在采用OBB算法之前碰撞檢測結(jié)束。1.5   虛擬切割在仿真手術過程中，對虛擬手術刀、超聲波刀這些虛擬手術器械的使用無疑將會對醫(yī)科學生或者新醫(yī)師在今后實際手術操作中起到極大的幫助作用。通常虛擬切割分為累進切割20和非累進切割21兩種。非累進切割在手術刀切割并離開傷口后才將傷口割開，而在從開始切割到手術刀離開之前的過程中不顯示傷口被且隔開的效果。所以在手術刀運動位置和切割效果之間產(chǎn)生了一個較為明顯的延

6、遲。累進切割解決了這個延遲的產(chǎn)生，它在切割過程中實時的顯示出傷口切開的效果。但是也隨之增加了時間復雜度和對臨時分割的存儲管理的復雜度。將累進切割和非累進切割結(jié)合起來發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，將會成為設計虛擬切割算法的一個不錯的選擇。1.6   觸覺反饋同任意物體的觸覺交互是手術仿真的一個不可或缺的基本功能。通過觸覺反饋界面，訓練者可以在手術仿真過程中感覺到接觸或者力反饋的效果。這樣，訓練者就會在一個由計算機和專業(yè)設備搭建的虛擬手術環(huán)境中體會到了同真實手術一樣的觸覺效果。目前，觸覺反饋設備已經(jīng)用來進行更真實和實時的模擬操作。VR系統(tǒng)中常用的觸覺反饋設備有Sensable公司的PHA

7、NTOM和3Dimmersion公司的CyberForce等等。通常，采用PHANTOM設備，和其提供的GHOST API來產(chǎn)生對三維可變形器官和軟組織的切割產(chǎn)生的觸覺反饋效果，這樣的設備能提供1 kHz的觸覺反饋更新輸出。1.7   仿真內(nèi)核在手術仿真過程中，各種任務將協(xié)同工作，仿真內(nèi)核在其中起到了一個控制中心的作用。仿真內(nèi)核的主要作用包括任務調(diào)度、協(xié)調(diào)交互操作、模塊之間的交流信息分發(fā)以及資源配置管理等等。這些需要建立執(zhí)行順序、各個模塊之間的同步和連接，并且需要明確制定出模塊間的接口。2   總結(jié)和展望準確性和實時性是虛擬手術系統(tǒng)至關重要的性能指標，良

8、好的系統(tǒng)架構(gòu)和功能模塊的設計將為此提供必要的保障。最后設計的測試計劃，將從系統(tǒng)的可用性和效果進行評價。進一步的系統(tǒng)開發(fā)是我們接下來的工作，我們相信虛擬手術必將會為外科手術訓練和制定術前計劃提供積極的幫助作用。參考文獻: 1 Lange T, Indelicato DJ, and Rosen JM. Virtual reality in surgical trainingM. Surg Oncol Clin N Amer, Jan 2000, 9(1), 61-79.2 ITK insight segmentation and registration toolkit. Online. Avai

9、lable: 3 Levoy M. Display of surfaces from volume dataJ. IEEE Computer Graphics and Applications, 83, May 1988, 29-37.4 Westover LA. Footprint evaluation for volume renderingJ. ACM SIGGRAPH Computer Graphics,244, 1990, 367-376.5 LORENSEN W. E., and CLINE H. E. Marching cubes: A high resolution 3d surface c