虚拟手术仿真中基于RPIM-MSM的混合软组织建模与切割研究

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虚拟现实与医学结合的虚拟手术仿真系统,是一种利用计算机图像学再现手术训练场景的技术,具有降低医生培训成本、避免动物实验的道德伦理争议等优点。按压与切割是实际手术过程中常见操作,因此软组织的形变建模与切割算法是虚拟手术的两项关键技术。如何平衡系统的实时性与精确性以及如何提高模拟切口的真实度是虚拟手术仿真的核心问题,本文对软组织形变建模方法与切割算法进行了研究。首先,为了建立高效精确的软组织模型,提出一种基于径向基点插值法(Radial base Point Interpolation Method,RPIM)与质点弹簧法(Mass Spring Method,MSM)的混合软组织建模方法。该模型按功能区划分为手术(病变)区域和非手术(健康)区域用以平衡系统的实时性与精确性。手术区中引入了隐式积分法Newmark的RPIM保证了系统手术区的稳定性及高精度。非手术区采用计算量小的MSM模型降低计算复杂度,同时提出的基于生物力学的质点弹簧法能有效表达健康生物组织的非线性及粘弹性。为了缓解模型功能区的割裂问题,提出基于支持域的边缘提取策略建立过渡区。实验结果验证了建模方法的有效性。其次,针对基于网格的模型切割时会产生畸变网格以及切口形状不光滑等问题,本文提出一种新型切割算法应用于基于RPIM-MSM混合模型模拟软组织切割。为了缓解切口边缘的不平滑问题,提出了基于扩展贝塞尔曲线的切口再现方法。扩展贝塞尔曲线将传统的贝塞尔曲线进行拼接,解决曲线无法通过接触点的问题。此外,自适应策略的提出进一步提高了视觉反馈效果。将切割算法应用于虚拟手术仿真系统中,对比真实切口,实验结果取得了较好的视觉效果。最后,为了验证提出的建模方法与切割算法的实用性,搭建了一套基于腹腔镜肝脏手术的虚拟手术仿真系统。在虚拟肝脏手术仿真系统中进行了形变与切割测试,记录该系统的计算时间。结果显示该系统逼真度较高,满足虚拟手术的实时性需求。
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