虚拟手术训练系统中手术场景的模拟及系统集成

摘要

虚拟手术训练系统是数字医疗研究的热点问题之一,它主要应用于教学、培训、诊断和术前计划等。模拟的手术场景作为给被训练者最直观的印象,在虚拟手术训练系统中起着很重要的作用。手术场景渲染得越真实,越接近真实的手术环境,就越可以提高训练的效果;反之,即使系统提供的功能再强大,却只能达到事倍功半的效果。本文着眼于此,主要研究如何逼真地模拟手术场景并将其应用到虚拟手术训练系统中。本文首先研究流体模拟的相关算法并将其分别实现,从中选择合适的算法用于模拟血流,进而将其应用于模拟手术器械通电切割组织而产生的烟雾;其次研究了如何从获得的医学数据中分割出人体相关器官数据,并将其在计算机中真实地显示出来;接着研究了Phantom的工作机制,研究如何用力反馈设备控制手术器械进行手术操作;最后将上述的这些渲染模块集成入系统,通过一系列实验证明了这些模块的加入极大地增强了系统真实感。本文的主要工作和研究成果如下:(1)通过研读国内外的相关文献,了解本文所需的相关理论,着重研究血流模拟的算法,由于血流模拟属于流体研究的一种应用,因此同时也阅读了不少关于流体的论文。(2)根据实验室系统性能上的要求,选择合适的血流模拟算法。在此过程中,为了找到合适的模拟血流的算法,分别实现了Stam基于网格的算法和改进的SPH算法,将它们的性能进行对比选择合适的算法,最后运用选择出的Stam基于网格的算法模拟血流、烟雾等。(3)运用ITK开源的分割器官工具,从所获得的医学数据中手动分割出系统所需的人体器官数据,然后采用快速的、非参数的纹理合成技术为这些器官创造合适的、可变的纹理,然后将这些纹理映射到预先分割好的三维软组织模型的网格上,最后为了减少边缘伪影,各个部分的纹理在交界处采用自动混合的方法。(4)研究Phantom的工作机制,研究如何用力反馈设备控制手术器械进行手术操作。由于此时的手术器械不再由Immersion Laparoscopic进行控制,而是由力反馈设备进行控制,这导致手术器械的显示及控制都要进行相应的改变,主要将力反馈设备在真实空间中的位置坐标,通过一系列的坐标转换,变换为世界坐标下的手术器械的坐标,这样当力反馈设备移动时,虚拟手术器械也随之一起移动。(5)将分别实现的渲染模块集成入虚拟手术训练系统,模拟在手术过程中,手术器械切割器官时血流在人体内部流动,小的出血点缓慢地渗出血流,手术器械灼烧器官产生的烟雾等多个手术场景。

目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 主要工作及贡献

1.2.1 血流模拟渲染

1.2.2 烟雾模拟渲染

1.2.3 人体器官的分割及显示

1.2.4 手术器械的显示及控制

1.2.5 血流渲染模块集成入虚拟手术训练系统

1.2.6 烟雾渲染模块集成入虚拟手术训练系统

1.3 章节安排

2 相关工作

2.1 引言

2.2 相关技术背景

2.2.1 可视化技术

2.2.2 形变物体的实时冲突检测技术

2.2.3 声音渲染技术

2.2.4 模拟外科手术中切割缝合操作的技术

2.3 虚拟手术训练系统介绍

2.3.1 系统的体系结构设计

2.3.2 系统的软件结构分析与设计

2.3.3 系统的功能介绍

2.4 计算流体力学理论简介

2.5 Navier-Stokes 方程

2.6 Navier-Stokes 方程组推导

2.6.1 动量方程

2.6.2 传导项

2.6.3 压力项

2.6.4 粘滞力

2.6.5 外力项

2.6.6 不可压缩方程

2.7 数值方法简介

2.8 拉格朗日视点与欧拉视点

2.8.1 拉格朗日视点

2.8.2 欧拉视点

2.9 本章小结

3 血流模拟的算法及其他场景元素的模拟方法

3.1 引言

3.2 流体模拟现状介绍

3.2.1 非物理模拟方法

3.2.2 基于物理的模拟方法

3.2.3 血流模拟方法

3.3 SPH 算法

3.3.1 粒子系统介绍

3.3.2 SPH 的血流模拟算法

3.4 稳定的半拉格朗日算法

3.4.1 简化Navier-Stokes 方程

3.4.2 空间网格化

3.4.3 具体算法流程

3.4.4 边界条件的确定

3.5 烟雾的模拟

3.6 器官的分割及显示

3.6.1 分割器官的方法

3.6.2 器官的显示

3.7 手术器械的模拟及控制

3.7.1 力反馈设备介绍

3.7.2 工具模型

3.7.3 器械的显示

3.8 本章小结

4 实验部分

4.1 引言

4.2 开发系统环境介绍

4.3 血流模块实验

4.3.1 SPH 算法模拟血流实验

4.3.2 半拉格朗日算法血流实验

4.3.3 将两种方法进行比较

4.4 其他场景元素的模拟

4.4.1 烟雾渲染模块的模拟实验

4.4.2 器官的分割及显示

4.4.3 手术器械模拟及力反馈设备控制实验

4.5 场景渲染模块集成入系统

4.5.1 可视化工具包

4.5.2 集成的难点

4.5.3 解决方法设计

4.5.4 系统中模拟不同的渲染场景实验

4.5.5 实验结果评估

4.6 本章小结

5 结论

5.1 本文工作总结

5.2 未来的工作

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录