基于约束点的软组织形变交互式虚拟手术仿真技术研究

摘要

作为信息科学和医学的前沿交叉研究领域，虚拟手术仿真系统的研究对降低临床外科手术风险、减少医生培训成本以及保护人体健康具有重大的现实意义和应用价值。借助这种虚拟手术仿真系统，受训者能够熟练掌握手术器械的操作，并熟悉手术的基本过程及病灶的解剖结构。软组织变形仿真作为虚拟手术仿真系统的重要组成部分，是虚拟手术场景中最重要的视觉反馈现象。目前柔性体变形的研究已经受到很多科研机构和企业的高度重视，并且已经提出了一系列成熟的建模方法，比如有限元方法、质点弹簧模型等。但是已有的这些模型在虚拟手术中应用存在仿真精度低、计算量大、难以处理拓扑结构的改变等局限性，因此研究一种适用于虚拟手术仿真系统的软组织变形仿真方法是必要而且迫切的。
　　本文在分析了虚拟手术仿真系统研究趋势的基础上，针对第三代虚拟手术系统对虚拟软组织物理特性、手术仿真效果的需求，在基于点的方法的基础上，结合基于位置的虚拟手术仿真方法，提出了基于约束点的软组织形变仿真方法，实现了对软组织形变实时精确的仿真；针对训练者对虚拟手术系统真实感的要求，设计了基于力反馈的交互式接触模型，能够对视觉和触觉进行实时反馈，增强了训练者的沉浸感,提高了训练效率；针对软组织在非线性大变形的情况下仿真系统会出现不稳定、精度低的问题，提出了非线性基于约束点的软组织形变仿真方法，通过更新邻域、修正邻域权值、采用更新拉格朗日形式积分等步骤，提高了仿真系统的稳定性和准确性。经过多种基准问题的验证，实验结果表明该软组织形变仿真系统在视触觉效果以及稳定性方面的有效性，可扩展应用于交互式穿刺和剪切过程的仿真。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要内容和结构

2 软组织形变仿真的相关技术

2.1 软组织材料特性及本构方程

2.2 软组织形变模型

2.3碰撞检测

2.4 交互式虚拟手术仿真软件系统

2.5 本章小结

3 基于约束点的软组织形变仿真方法

3.1 模型预处理

3.2 基于点的软组织形变模型

3.3 基于位置的仿真方法

3.4 基于约束点的软组织形变模型

3.5 实验仿真结果

3.6 本章小结

4 基于力反馈的交互接触设计

4.1 力反馈设备简介

4.2 碰撞检测算法

4.3 接触力计算模型

4.4 基于力反馈的软组织形变仿真系统的构建

4.5 实验仿真结果

4.6 本章小结

5 软组织非线性大变形的仿真

5.1 非线性基于点的软组织仿真方法

5.4 当前质点（黑色）的搜索区域

5.2 非线性基于点的方法在软组织形变仿真系统中的应用

5.3 实验仿真结果

5.4 本章小结

6 总结和展望

致谢

攻读硕士学位期间主要成果

参考文献