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本文根据课题组承担的国家863计划课题“微创手术机器人关键技术与系统集成的研究”的内容之--微创手术的虚拟现实与培训系统的具体要求,针对虚拟仿真系统的关键技术展开研究,创建了逼真的虚拟三维图形图像场景,模拟了微创手术中手术工具对血管和胆囊软组织器官进行夹持、拖拽、切割等虚拟交互。研究工作为医生提供三维空间感知培训,可进行手术前预演,有效提高手术质量。论文的主要研究内容概括如下:
1、利用骨骼蒙皮技术,在虚拟环境下对微创手术工具建立了虚拟模型,创建了该模型的骨架系统,实现了多自由度运动控制功能,设计了基于骨骼方向包围盒的碰撞检测方法。
2、对血管三维重建进行深入研究,从原始医学图像数据中分离感兴趣目标区域,利用中心线原理构建了虚拟血管的中心线骨架系统,通过不同面绘制方法进行三维重建。
3、建立了血管内部中心线模型和表面质点弹簧模型相结合的混合模型,对该模型进行碰撞检测,重点研究了自碰撞检测方法,实现了手术中对血管的剪切操作,确保了血管在虚拟手术工具操作中形变的整体实时性和局部精确性。
4、利用有限元理论对胆囊模型形变进行计算,得到了逼真的软组织形变效果,实现了虚拟手术工具模型对胆囊软组织的碰撞检测。
论文渲染绘制了真实的三维虚拟场景,搭建了方便于医生操作的3D虚拟用户界面,选用不同绘制方法更精确快速的渲染三维模型。