随着计算机相关科学的飞速发展,仿真技术被应用于社会科学的各个领域。手术仿真是仿真技术在医学领域的实践应用,涵盖了计算机图形学、计算机视觉、计算机数据结构与算法、机器人学、生物力学等技术。人体软组织的切割仿真是手术仿真中的重要功能模块之一,综合了手术仿真的几何建模、物理建模、碰撞检测和几何模型重构等关键技术。切割仿真目标是模拟软组织在手术器械的作用下发生切割和软组织形变的过程。 本文主要完成了以下研究工作: 1)建立软组织几何模型。几何模型是手术仿真系统的基础,其建立过程一般采用已有的几何建模算法或封装此类算法的应用软件。由于目前医学图像轮廓线自动提取方法还不能满足仿真系统的需要,因此必须通过人工干预半自动完成提取。几何建模软件Amira集成了流行的图像边缘检测方法,同时能够按照仿真系统和用户的需要调整轮廓,比较适合仿真系统几何模型的建立。本文以人体切片图像为数据源采用此软件建立了腹腔的几何模型。 2)空间一致性搜索碰撞检测方法设计。在切割仿真中,系统应当能够实时判断刀具和组织模型的位置关系,及时的记录交点信息并判断是否发生切割。本文采用的空间一致性搜索方法利用了系统中几何模型元素(顶点、边、面和四面体)之间的邻接关系,能够显著提高复杂模型的碰撞检测效率。 3)采用最小子集法实现四面体单元分裂。体模型的切割仿真一般通过四面体的移除或分裂来实现。四面体的分裂有多种方法,其实现的简易性和仿真效果的真实性呈消长关系。本文选择了两者兼顾的最小子集法作为四面体分裂的方法。 本文以切割仿真系统的实现步骤为主线,逐步介绍和论述了切割仿真系统的主要功能性模块的实现方法。实验证明:基于最小子集法和空间一致性搜索方法的切割仿真具有比较理想的仿真效果和应用价值。