基于vr的虛擬手術(shù)仿真

基于vr的虛擬手術(shù)仿真基于vr的虛擬手術(shù)仿真第1頁手術(shù)仿真系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實技術(shù)飛速發(fā)展和遼闊應(yīng)用前景虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術(shù)在當(dāng)代醫(yī)學(xué)中應(yīng)用內(nèi)窺鏡手術(shù)等先進外科手術(shù)方式出現(xiàn)應(yīng)用：手術(shù)培訓(xùn)，手術(shù)計劃，手術(shù)治療…研究內(nèi)容：醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)交互與可視化組織變形模擬感官反饋模擬基于vr的虛擬手術(shù)仿真第2頁Satava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)人體幾何特征第二代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)：加入人體作為生物體物理特征第三代醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)：考慮人體各器官功效本質(zhì)

基于vr的虛擬手術(shù)仿真第3頁系統(tǒng)功效模塊圖

基于vr的虛擬手術(shù)仿真第4頁幾何模型重建基于vr的虛擬手術(shù)仿真第5頁層次四面體模型生成三角片表面幾何重構(gòu)（最短對角線法）

斷層間層次四面體重構(gòu)（以一定規(guī)則遍歷）基于vr的虛擬手術(shù)仿真第6頁體模型簡化算法四面體網(wǎng)格是一個普遍體模型表示方法。大量四面體數(shù)據(jù)使得數(shù)據(jù)存放、體繪制、有限元計算、實時處理等變得困難。提出了直接針對四面體體數(shù)據(jù)進行簡化新算法。基于vr的虛擬手術(shù)仿真第7頁簡化算法思想采取點刪除法簡化邊界面，保持邊界特征。結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格替換內(nèi)部四面體。用四面體填充邊界面和六面體網(wǎng)格面連接處空洞?；趘r的虛擬手術(shù)仿真第8頁簡化算法優(yōu)點是一個體數(shù)據(jù)簡化算法；保持模型邊界特征，簡化效果好；允許用戶定義簡化程度，能建立多分辨率模型體數(shù)據(jù)；實現(xiàn)簡單。基于vr的虛擬手術(shù)仿真第9頁體模型簡化結(jié)果組成模型四面體數(shù)：

a:16104b:7302c:2671d:1227e:714f:179基于vr的虛擬手術(shù)仿真第10頁虛擬手術(shù)中碰撞檢測碰撞檢測貫通于手術(shù)仿真整個過程手術(shù)器械與人體組織之間準(zhǔn)確快速碰撞檢測是計算軟組織變形和分裂先決條件

依據(jù)碰撞檢測結(jié)果，才能準(zhǔn)確地計算模型變形。虛擬手術(shù)中碰撞檢測：剛體與軟體碰撞檢測基于vr的虛擬手術(shù)仿真第11頁碰撞檢測算法提出了一個基于固定方向凸包包圍盒層次碰撞檢測方法

提出了用以處理包圍盒間相交測試快速區(qū)間測試法

提出了一個基于線性規(guī)劃旋轉(zhuǎn)后包圍盒快速計算方法以及一個自底向上對象變形后包圍盒樹快速更新算法

基于vr的虛擬手術(shù)仿真第12頁碰撞檢測算法比較基于vr的虛擬手術(shù)仿真第13頁手術(shù)仿真中軟組織切割兩種不一樣切割處理策略：去除法切割法去除一些切割到基元，并改變相關(guān)局部，全局參數(shù)將切割到基元分裂成若干個小基元方法描述優(yōu)點缺點實現(xiàn)簡單，降低基元數(shù)目有可信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，需對模型重新生成基于vr的虛擬手術(shù)仿真第14頁切割判據(jù)切割條件虛擬器械與軟組織接觸應(yīng)力超出屈服條件切割公式基于vr的虛擬手術(shù)仿真第15頁四面體切割虛擬器械運動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基于vr的虛擬手術(shù)仿真第16頁四面體分割交點分類點交點線交點面交點體交點點交點—判斷點是否需要分裂線交點—一分為二面交點—一分為三體交點—一分為四基于vr的虛擬手術(shù)仿真第17頁粘彈性模型幾點假設(shè)：瞬時應(yīng)變彈性應(yīng)變和位移呈線性關(guān)系

應(yīng)變由彈性和蠕變兩個別組成

蠕變應(yīng)變率是應(yīng)力和應(yīng)變函數(shù)

基于vr的虛擬手術(shù)仿真第18頁粘彈性模型系統(tǒng)方程：由虛功原理得到系統(tǒng)平衡方程：引入粘彈性物理模型得到：V為整個粘彈性體域，S為力邊界基于vr的虛擬手術(shù)仿真第19頁有限元計算模型連續(xù)求解區(qū)域離散化，連續(xù)無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散有限自由度問題單元分析階段單元矩陣計算（剛度、質(zhì)量、載荷）整體組合階段單元矩陣到整體矩陣組合約束處理加入各節(jié)點約束完成系統(tǒng)方程組方程求解求解系統(tǒng)方程組應(yīng)力應(yīng)變計算各單元應(yīng)變、應(yīng)力計算基于vr的虛擬手術(shù)仿真第20頁立體紋理映射基于vr的虛擬手術(shù)仿真第21頁試驗結(jié)果（一）基于vr的虛擬手術(shù)仿真第22頁試驗結(jié)果（二）基于vr的虛擬手術(shù)仿真第23頁試驗結(jié)果（三）