【大學(xué)】基于VR的虛擬手術(shù)仿真課件

2022/12/18【大學(xué)】基于VR的虛擬手術(shù)仿真2022/12/12【大學(xué)】基于VR的虛擬手術(shù)仿真1Satava的三代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)框架

第一代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)：著重于表現(xiàn)人體幾何特性第二代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)：加入人體作為生物體的物理特性第三代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)：考慮人體各器官的功能本質(zhì)

Satava的三代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)框架2系統(tǒng)功能模塊圖

系統(tǒng)功能模塊圖3幾何模型重建幾何模型重建4層次四面體模型生成三角片表面幾何重構(gòu)（最短對(duì)角線法）

斷層間層次四面體重構(gòu)（以一定的規(guī)則遍歷）層次四面體模型生成三角片表面幾何重構(gòu)（最短對(duì)角線法）5體模型簡(jiǎn)化算法四面體網(wǎng)格是一種普遍的體模型表示方法。大量的四面體數(shù)據(jù)使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、體繪制、有限元計(jì)算、實(shí)時(shí)處理等變得困難。提出了直接針對(duì)四面體體數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化的新算法。體模型簡(jiǎn)化算法6簡(jiǎn)化算法思想采用點(diǎn)刪除法簡(jiǎn)化邊界面，保持邊界特性。構(gòu)造六面體網(wǎng)格替代內(nèi)部四面體。用四面體填充邊界面和六面體網(wǎng)格面連接處的空洞。簡(jiǎn)化算法思想采用點(diǎn)刪除法簡(jiǎn)化邊界面，保持邊界特性。構(gòu)造六面體7簡(jiǎn)化算法優(yōu)點(diǎn)是一種體數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化算法；保持模型的邊界特性，簡(jiǎn)化效果好；允許用戶定義簡(jiǎn)化程度，能建立多分辨率模型體數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)化算法優(yōu)點(diǎn)是一種體數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化算法；8體模型簡(jiǎn)化結(jié)果組成模型四面體數(shù)：a:16104b:7302c:2671d:1227e:714f:179體模型簡(jiǎn)化結(jié)果組成模型四面體數(shù)：9虛擬手術(shù)中的碰撞檢測(cè)碰撞檢測(cè)貫穿于手術(shù)仿真的整個(gè)過程手術(shù)器械與人體組織之間的精確快速的碰撞檢測(cè)是計(jì)算軟組織變形和分裂的先決條件

根據(jù)碰撞檢測(cè)的結(jié)果，才能準(zhǔn)確地計(jì)算模型的變形。虛擬手術(shù)中的碰撞檢測(cè)：剛體與軟體的碰撞檢測(cè)虛擬手術(shù)中的碰撞檢測(cè)碰撞檢測(cè)貫穿于手術(shù)仿真的整個(gè)過程10碰撞檢測(cè)算法提出了一種基于固定方向凸包包圍盒層次的碰撞檢測(cè)方法

提出了用以解決包圍盒間相交測(cè)試的快速區(qū)間測(cè)試法

提出了一種基于線性規(guī)劃的旋轉(zhuǎn)后包圍盒的快速計(jì)算方法以及一種自底向上的對(duì)象變形后包圍盒樹的快速更新算法

碰撞檢測(cè)算法提出了一種基于固定方向凸包包圍盒層次的碰撞檢測(cè)方11碰撞檢測(cè)算法比較碰撞檢測(cè)算法比較12手術(shù)仿真中的軟組織切割兩種不同的切割處理策略：去除法切割法去除某些切割到的基元，并改變相關(guān)的局部，全局參數(shù)將切割到的基元分裂成若干個(gè)小基元方法描述優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，減少基元數(shù)目有可信的切割邊界切割邊界走樣（鋸齒狀）產(chǎn)生很多小基元，系統(tǒng)負(fù)擔(dān)加劇，需對(duì)模型重新生成手術(shù)仿真中的軟組織切割兩種不同的切割處理策略：去除法切割法去13切割判據(jù)切割條件虛擬器械與軟組織接觸應(yīng)力超過屈服條件切割公式切割判據(jù)切割條件切割公式14四面體切割虛擬器械的運(yùn)動(dòng)軌跡平面四邊形四邊形與四面體求交四面體與平面求交裁剪切割多邊形四面體切割虛擬器械的運(yùn)動(dòng)軌跡平面四邊形四邊形與四面體求交四面15四面體的分割交點(diǎn)分類點(diǎn)交點(diǎn)線交點(diǎn)面交點(diǎn)體交點(diǎn)點(diǎn)交點(diǎn)—判斷點(diǎn)是否需要分裂線交點(diǎn)—一分為二面交點(diǎn)—一分為三體交點(diǎn)—一分為四四面體的分割交點(diǎn)分類點(diǎn)交點(diǎn)線交點(diǎn)面交點(diǎn)體交點(diǎn)點(diǎn)交點(diǎn)—判斷點(diǎn)是16粘彈性模型幾點(diǎn)假設(shè)：瞬時(shí)應(yīng)變彈性應(yīng)變和位移呈線性關(guān)系

應(yīng)變由彈性和蠕變兩部分組成

蠕變應(yīng)變率是應(yīng)力和應(yīng)變的函數(shù)

粘彈性模型幾點(diǎn)假設(shè)：17粘彈性模型的系統(tǒng)方程：由虛功原理得到的系統(tǒng)平衡方程：引入粘彈性物理模型得到：V為整個(gè)粘彈性體域，S為力邊界粘彈性模型的系統(tǒng)方程：由虛功原理得到的系統(tǒng)平衡方程：引入粘彈18有限元計(jì)算模型連續(xù)的求解區(qū)域離散化，連續(xù)的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散的有限自由度問題單元分析階段單元矩陣計(jì)算（剛度、質(zhì)量、載荷）整體組合階段單元矩陣到整體矩陣的組合約束處理加入各節(jié)點(diǎn)的約束完成系統(tǒng)方程組方程求解求解系統(tǒng)方程組應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算各單元的應(yīng)變、應(yīng)力計(jì)算有限元計(jì)算模型連續(xù)的求解區(qū)域離散化，連續(xù)的無限自由度問題轉(zhuǎn)化19立體紋理映射立體紋理映射20實(shí)驗(yàn)結(jié)果（一）實(shí)驗(yàn)結(jié)果（一）21實(shí)驗(yàn)結(jié)果（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果（二）22實(shí)驗(yàn)結(jié)果（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果（三）23今后的研究重點(diǎn)：并行處理模型優(yōu)化切割后模型簡(jiǎn)化真實(shí)感繪制今后的研究重點(diǎn)：并行處理242022/12/18【大學(xué)】基于VR的虛擬手術(shù)仿真2022/12/12【大學(xué)】基于VR的虛擬手術(shù)仿真25Satava的三代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)框架

第一代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)：著重于表現(xiàn)人體幾何特性第二代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)：加入人體作為生物體的物理特性第三代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)：考慮人體各器官的功能本質(zhì)

Satava的三代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)框架26系統(tǒng)功能模塊圖

系統(tǒng)功能模塊圖27幾何模型重建幾何模型重建28層次四面體模型生成三角片表面幾何重構(gòu)（最短對(duì)角線法）

斷層間層次四面體重構(gòu)（以一定的規(guī)則遍歷）層次四面體模型生成三角片表面幾何重構(gòu)（最短對(duì)角線法）29體模型簡(jiǎn)化算法四面體網(wǎng)格是一種普遍的體模型表示方法。大量的四面體數(shù)據(jù)使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、體繪制、有限元計(jì)算、實(shí)時(shí)處理等變得困難。提出了直接針對(duì)四面體體數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化的新算法。體模型簡(jiǎn)化算法30簡(jiǎn)化算法思想采用點(diǎn)刪除法簡(jiǎn)化邊界面，保持邊界特性。構(gòu)造六面體網(wǎng)格替代內(nèi)部四面體。用四面體填充邊界面和六面體網(wǎng)格面連接處的空洞。簡(jiǎn)化算法思想采用點(diǎn)刪除法簡(jiǎn)化邊界面，保持邊界特性。構(gòu)造六面體31簡(jiǎn)化算法優(yōu)點(diǎn)是一種體數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化算法；保持模型的邊界特性，簡(jiǎn)化效果好；允許用戶定義簡(jiǎn)化程度，能建立多分辨率模型體數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。簡(jiǎn)化算法優(yōu)點(diǎn)是一種體數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化算法；32體模型簡(jiǎn)化結(jié)果組成模型四面體數(shù)：a:16104b:7302c:2671d:1227e:714f:179體模型簡(jiǎn)化結(jié)果組成模型四面體數(shù)：33虛擬手術(shù)中的碰撞檢測(cè)碰撞檢測(cè)貫穿于手術(shù)仿真的整個(gè)過程手術(shù)器械與人體組織之間的精確快速的碰撞檢測(cè)是計(jì)算軟組織變形和分裂的先決條件

根據(jù)碰撞檢測(cè)的結(jié)果，才能準(zhǔn)確地計(jì)算模型的變形。虛擬手術(shù)中的碰撞檢測(cè)：剛體與軟體的碰撞檢測(cè)虛擬手術(shù)中的碰撞檢測(cè)碰撞檢測(cè)貫穿于手術(shù)仿真的整個(gè)過程34碰撞檢測(cè)算法提出了一種基于固定方向凸包包圍盒層次的碰撞檢測(cè)方法

提出了用以解決包圍盒間相交測(cè)試的快速區(qū)間測(cè)試法

提出了一種基于線性規(guī)劃的旋轉(zhuǎn)后包圍盒的快速計(jì)算方法以及一種自底向上的對(duì)象變形后包圍盒樹的快速更新算法

碰撞檢測(cè)算法提出了一種基于固定方向凸包包圍盒層次的碰撞檢測(cè)方35碰撞檢測(cè)算法比較碰撞檢測(cè)算法比較36手術(shù)仿真中的軟組織切割兩種不同的切割處理策略：去除法切割法去除某些切割到的基元，并改變相關(guān)的局部，全局參數(shù)將切割到的基元分裂成若干個(gè)小基元方法描述優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，減少基元數(shù)目有可信的切割邊界切割邊界走樣（鋸齒狀）產(chǎn)生很多小基元，系統(tǒng)負(fù)擔(dān)加劇，需對(duì)模型重新生成手術(shù)仿真中的軟組織切割兩種不同的切割處理策略：去除法切割法去37切割判據(jù)切割條件虛擬器械與軟組織接觸應(yīng)力超過屈服條件切割公式切割判據(jù)切割條件切割公式38四面體切割虛擬器械的運(yùn)動(dòng)軌跡平面四邊形四邊形與四面體求交四面體與平面求交裁剪切割多邊形四面體切割虛擬器械的運(yùn)動(dòng)軌跡平面四邊形四邊形與四面體求交四面39四面體的分割交點(diǎn)分類點(diǎn)交點(diǎn)線交點(diǎn)面交點(diǎn)體交點(diǎn)點(diǎn)交點(diǎn)—判斷點(diǎn)是否需要分裂線交點(diǎn)—一分為二面交點(diǎn)—一分為三體交點(diǎn)—一分為四四面體的分割交點(diǎn)分類點(diǎn)交點(diǎn)線交點(diǎn)面交點(diǎn)體交點(diǎn)點(diǎn)交點(diǎn)—判斷點(diǎn)是40粘彈性模型幾點(diǎn)假設(shè)：瞬時(shí)應(yīng)變彈性應(yīng)變和位移呈線性關(guān)系

應(yīng)變由彈性和蠕變兩部分組成

蠕變應(yīng)變率是應(yīng)力和應(yīng)變的函數(shù)

粘彈性模型幾點(diǎn)假設(shè)：41粘彈性模型的系統(tǒng)方程：由虛功原理得到的系統(tǒng)平衡方程：引入粘彈性物理模型得到：V為整個(gè)粘彈性體域，S為力邊界粘彈性模型的系統(tǒng)方程：由虛功原理得到的系統(tǒng)平衡方程：引入粘彈42有限元計(jì)算模型連續(xù)的求解區(qū)域離散化，連續(xù)的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散的有限自由度問題單元分析階段單元矩陣計(jì)算（剛度、質(zhì)量、載荷）整體組合階段單元矩陣到整體矩陣的組合約束處理加入各節(jié)點(diǎn)的約束完成系統(tǒng)方程組方程求解