面向显微外科手术的虚拟血管缝合仿真系统的研究

摘要

随着虚拟现实技术的日益成熟,其应用领域逐步扩大.目前,虚拟现实技术在医学领域的应用,特别是对于虚拟手术系统的研究,已成为新的研究热点. 本文以显微外科手术中的血管缝合操作为实际依据,建立了面向显微外科手术的虚拟血管缝合仿真系统,并将该系统成功的应用于本实验室开发的主从式显微外科手术机器人(MicroHand)系统,提高了MicroHand操作的安全性和可靠性. 首先,针对显微外科手术中血管缝合的特点,对虚拟现实系统进行了深入的研究.虚拟手术的仿真要求系统不仅要具有高质量的实时视觉图像,还要具有高分辨率的真实力反馈.所以,硬件上采用了SensAble公司开发的具有三维力反馈功能的PHANToM Desktop作为触感交互设备.软件方面,由于与PHANToM配套的GHOST SDK已经提供给用户一个建立虚拟环境的平台,因此,工作重点主要集中在建立柔性仿真体模型和力反馈模型. 然后,通过对多种常用柔性体建模方法的研究与比较,采用了质量-弹簧模型的建模方法.该方法可以简化模型,减小计算量,提高计算机的运行速度. 特别是考虑到生物器官交互式仿真的数学模型的建立正是以线弹性假设为基础的.通过实现柔性平面的形变仿真,从显示效果和计算速度方面验证了该方法的可行性. 再次,以柔性平面的形变仿真为基础,仔细研究了动脉血管的力学特点之后,采用几何建模的方法,在虚拟环境下建立了血管的仿真模型.通过碰撞检测与力反馈模型的设计,实现了生物血管缝合时形变的实时刷新和力信息的实时反馈. 最后,将该虚拟现实系统与MicroHand控制系统相结合,进行了动物实验的验证.通过将从手操作的真实反馈力与虚拟环境下的计算值相比较,控制从手的操作,实施保护,避免了由于外力过大出现的血管被破坏等事故.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使用授权书

第一章绪论

1.1引言

1.2虚拟现实基础

1.2.1虚拟现实的概念

1.2.2虚拟现实的基本特征

1.2.3虚拟现实系统的组成

1.2.4虚拟环境设计语言

1.3虚拟现实技术在医学领域的应用

1.3.1虚拟手术研究的发展

1.3.2国外研究现状

1.3.3国内研究现状

1.4本文的研究内容

第二章虚拟手术系统的组成

2.1引言

2.2系统建立的要求

2.3系统组成

2.3.1硬件设备

2.3.2软件设计

2.3.3 GHOST SDK软件简介

2.3.4 GHOST SDK的应用

第三章建模与仿真

3.1弹性体的基本假设

3.2常用建模方法

3.2.1有限元法(FEMS)

3.2.2边界元法(BEM)

3.2.3长单元法(LEM)

3.2.4质量—弹簧模型(Mass-spring Models)

3.3视觉场景建模

3.4力反馈模型

3.5碰撞检测

3.5.1概述

3.5.2约束条件

3.5.3基本算法

3.5.4常用碰撞检测方法

3.6虚拟环境建模的特点

第四章柔性平面的形变仿真

4.1引言

4.1.1基本原理

4.1.2研究意义

4.2平面建模

4.3仿真过程设计

4.3.1 概述

4.3.2程序流程

4.3.3程序实现

4.4仿真结果

第五章血管仿真

5.1引言

5.2血管的力学特性

5.2.1血管的构造

5.2.2动脉血管的力学性质

5.3血管的绘制

5.3.1基本原理

5.3.2 3D Studio Max简介

5.3.3绘制方法

5.4血管建模

5.4.1引言

5.4.2建模方法

5.5仿真过程设计

5.5.1概述

5.5.2程序流程

5.5.3交互过程

5.5.4程序实现

5.6仿真结果

5.7缝合线的仿真

5.7.1缝合线模型的建立

5.7.2仿真过程

5.7.3实现算法

第六章虚拟显微外科手术系统的应用

6.1引言

6.2显微外科手术机器人(MicroHand)系统

6.2.1MicroHand总体介绍

6.2.2系统结构

6.2.3手术过程

6.3动物实验

第七章全文总结

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢