随着计算机技术的迅速发展,计算机应用技术渗透到社会生活的各个领域,虚拟现实技术结合现代医学便产生了虚拟手术系统。虚拟手术系统是一个融合了计算机技术、计算机图形学、传感器技术、生物力学、现代医学、图像处理、机器人学、科学计算可视化等的多学科交叉研究领域。虚拟手术系统研究的宗旨在为外科医生提供可以反复使用的训练和模拟工具,可应用于手术规划、手术演练和进一步的实际手术,对于先进的手术方式推广起了很好的促进作用。 论文在综述了虚拟手术系统构造。在此的基础上,对虚拟手术的几个关键技术:碰撞检测、几何建模、计算建模、形变模拟、切割模拟等进行了深入的研究和探讨,具体有以下几个方面: 1)在碰撞检测方面,采用AABB包围盒构建二叉树,并能根据手术对象的变化,对二叉树进行有效的更新。 2)在几何建模方面,采用了基于空间四面体的重构算法,并针对大脑皮层的特殊结构,采用了一种比较简单的重构算法。 3)在力学计算建模方面,采用有限元算法用于形变和切割模拟,克服了弹簧振子模型的局限性,可以获得较高的计算精度和稳定的求解结果。 4)在形变模拟算法优化方面,为了提高系统的交互性,对现有的有限元算法进行了分析,针对随着接触点的变化造成需要求逆的矩阵和原刚度矩阵具有较大的相识性,采用了变预先求逆矩阵法,大大的提高了实时运算的效率,提高了系统得交互性。 5)在切割模拟方面,采用去除法并结合变预先求逆法,快速的生成了切割后新的刚度矩阵,并求出了在手术刀切割作用下其余个点的外移情况。 最后结合实验模拟中的体会和现有方法中的不足,对以后的研究做了一个简单的展望。