3D虚拟现实内镜手术仿真关键技术研究

论文摘要

随着科技的发展,计算机虚拟技术正在医学领域发挥着重要的作用,其中虚拟手术(又称为手术仿真)越来越多的被医学界所认可,虚拟手术已成为医疗信息学中一个非常重要的应用分支。内窥镜手术复杂程度高,要求临床医生具备较高的手眼协调能力,需要经过长时间的训练。使用虚拟现实技术构建虚拟手术环境,实现内镜手术仿真培训,可以解决传统训练方式下成本高、无法重复等缺陷,目前已成为该领域中的一个非常重要的课题。目前虚拟手术领域已有的研究成果,其重点在于医学图像的分割、三维重建、物理模型的建立,而对于力反馈模型的研究尚处于起步阶段。本文重点研究了三维虚拟现实场景下内窥镜手术仿真中碰撞检测,软组织形变,切割和缝和线打结等关键算法,并对使用这些算法构建内镜手术培训系统进行了探讨。在碰撞检测方面,本文针对内镜手术中碰撞的特点,构造手术器械、软体组织的混合碰撞检测模型,提出了一种基于混合层次包围盒检测算法,根据对算法的分析实验结果,该算法可以改善包围盒对手术器械、软体组织的包围紧密度,提高检测碰撞的速度和确定碰撞点的精度。在提高器官软体组织形变仿真的计算速度上,根据腹腔器官组织的生物力学特征,提出了改进的受力点寻址算法和基于三角面积匹配邻近点查询算法,通过实验证明该算法可以提高形变仿真的响应速度,提高形变计算的实时性,以及仿真精度。在实现软体组织切割仿真方面,针对目前切割仿真算法的缺陷,提出了基于顶点复制的切割分裂算法和基于顶点移动的切割细化算法.通过对比实验验证所提出的算法可以减少网格单元结构的增加,提高切口面的平滑精细程度和切割仿真的响应速度.在实现缝合线打结操作仿真上,结合缝合线的特点,构建了缝合线的3维模型,提出了基于连续控制点的缝合线位置变换算法和基于球体包围盒的碰撞检测算法,实现缝合线打结过程的仿真。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 虚拟现实技术概述
• 1.3 内镜手术仿真系统研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容及章节安排
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 章节安排
• 第二章 虚拟内镜手术仿真系统
• 2.1 系统总体结构
• 2.1.1 内镜培训信息管理子系统
• 2.1.2 内镜手术仿真系统
• 2.1.3 系统设计需求
• 2.2 碰撞检测
• 2.2.1 碰撞检测的基本方法
• 2.2.2 碰撞检测的框架
• 2.3 软体组织形变
• 2.3.1 形变计算的基本要求
• 2.3.2 形变计算的流程
• 2.4 软体组织切割
• 2.4.1 切割仿真的基本要求
• 2.4.2 切割仿真的过程
• 2.5 缝合线打结
• 2.5.1 缝合线打结概述
• 2.5.2 缝合线打结仿真过程
• 2.6 小结
• 第三章 基于复合层次包围盒的快速碰撞检测算法
• 3.1 包围盒检测算法概述
• 3.2 复合层次包围盒树的构造
• 3.2.1 构造层次包围盒树
• 3.2.2 构造复合层次包围盒树
• 3.3 复合层次包围盒树的更新
• 3.3.1 刚体对象运动后包围盒树的更新
• 3.3.2 软体形变后更新包围盒树
• 3.4 包围盒之间的相交检测
• 3.4.1 AABB包围盒间相交检测
• 3.4.2 OBB-AABB包围盒检测
• 3.5 基于空间分割的自碰撞检测算法
• 3.5.1 算法设计
• 3.5.2 均匀空间的划分
• 3.5.3 空间单元格中映射对象
• 3.5.4 算法时间复杂度
• 3.6 仿真实验结果分析
• 3.7 小结
• 第四章 基于快速寻址的软组织形变
• 4.1 软组织形变仿真概述
• 4.1.1 软组织形变结构
• 4.1.2 质点弹簧形变模型
• 4.1.3 有限元形变模型
• 4.2 随机点深度搜索受力点匹配的改进算法
• 4.2.1 问题的提出
• 4.2.2 算法描述与分析
• 4.3 三维模型受力点匹配算法
• 4.3.1 问题描述
• 4.3.2 算法描述与分析
• 4.4 受力点匹配仿真
• 4.4.1 表面网格结构的受力点匹配仿真
• 4.4.2 三维模型受力点匹配仿真
• 4.5 形变受力计算
• 4.5.1 受力形变区域计算
• 4.5.2 形变力的衰减计算
• 4.6 形变仿真结果与分析
• 4.7 小结
• 第五章 基于顶点复制的软组织切割仿真
• 5.1 表面网格中基于定点复制的切割算法
• 5.1.1 算法设计
• 5.1.2 实验仿真
• 5.2 基于单元结构细分的体结构切割算法
• 5.2.1 单元结构细分算法
• 5.2.2 最小子集法
• 5.2.3 改进的四面体细分切割算法
• 5.2.4 切割仿真实验
• 5.3 切割仿真中不规则四面体处理
• 5.3.1 不规则四面体
• 5.3.2 产生不规则四面体的原因
• 5.3.3 基于边长划分和切割线延长的切点移动切割算法
• 5.3.4 算法分析
• 5.3.5 切割仿真实验
• 5.4 小结
• 第六章 基于混合建模的缝合线打结仿真
• 6.1 缝合线的建模方式
• 6.1.1 缝合线的几何建模
• 6.1.2 混合建模中的物理建模方式
• 6.2 缝合线混合建模
• 6.2.1 混合建模的设计思想
• 6.2.2 混合建模的问题
• 6.2.3 混合建模的优势
• 6.3 缝合线自碰撞检测
• 6.3.1 包围球碰撞检测算法
• 6.3.2 基于包围球缝合线自碰撞检测算法
• 6.4 缝合线运动实现
• 6.4.1 计算控制点受力
• 6.4.2 计算位移
• 6.5 实验仿真与分析
• 6.6 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的专著、学术论文