1、基于VR的虛擬手術(shù)仿真,手術(shù)仿真系統(tǒng),虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛速發(fā)展和廣闊應用前景 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學中的應用 內(nèi)窺鏡手術(shù)等先進外科手術(shù)方式的出現(xiàn) 應用：手術(shù)培訓，手術(shù)計劃，手術(shù)治療 研究內(nèi)容： 醫(yī)學數(shù)據(jù)的交互與可視化 組織變形的模擬 感官反饋的模擬,Satava的三代醫(yī)學仿真系統(tǒng)框架,第一代醫(yī)學仿真系統(tǒng)：著重于表現(xiàn)人體幾何特性 第二代醫(yī)學仿真系統(tǒng) ：加入人體作為生物體的物理特性 第三代醫(yī)學仿真系統(tǒng)：考慮人體各器官的功能本質(zhì),系統(tǒng)功能模塊圖,幾何模型重建,層次四面體模型生成,三角片表面幾何重構(gòu)（最短對角線法） 斷層間層次四面體重構(gòu) （以一定的規(guī)則遍歷）,體模型簡化算法,四面體網(wǎng)格是一種普遍的體

2、模型表示方法。 大量的四面體數(shù)據(jù)使得數(shù)據(jù)存儲、體繪制、有限元計算、實時處理等變得困難。 提出了直接針對四面體體數(shù)據(jù)進行簡化的新算法。,簡化算法思想,采用點刪除法簡化邊界面，保持邊界特性。,構(gòu)造六面體網(wǎng)格替代內(nèi)部四面體。,用四面體填充邊界面和六面體網(wǎng)格面連接處的空洞。,簡化算法優(yōu)點,是一種體數(shù)據(jù)的簡化算法； 保持模型的邊界特性，簡化效果好； 允許用戶定義簡化程度，能建立多分辨率模型體數(shù)據(jù)； 實現(xiàn)簡單。,體模型簡化結(jié)果,組成模型四面體數(shù)： a:16104 b:7302 c:2671 d:1227 e:714 f:179,虛擬手術(shù)中的碰撞檢測,碰撞檢測貫穿于手術(shù)仿真的整個過程 手術(shù)器械與人體組織之間

3、的精確快速的碰撞檢測是計算軟組織變形和分裂的先決條件 根據(jù)碰撞檢測的結(jié)果，才能準確地計算模型的變形。 虛擬手術(shù)中的碰撞檢測：剛體與軟體的碰撞檢測,碰撞檢測算法,提出了一種基于固定方向凸包包圍盒層次的碰撞檢測方法 提出了用以解決包圍盒間相交測試的快速區(qū)間測試法 提出了一種基于線性規(guī)劃的旋轉(zhuǎn)后包圍盒的快速計算方法以及一種自底向上的對象變形后包圍盒樹的快速更新算法,碰撞檢測算法比較,手術(shù)仿真中的軟組織切割,兩種不同的切割處理策略：,切割判據(jù),切割條件 虛擬器械與軟組織接觸 應力超過屈服條件,切割公式,四面體切割,虛擬器械的運動軌跡,平面四邊形,四邊形與四面體求交,四面體與平面求交,裁剪切割多邊形,四

4、面體的分割,交點分類,點交點,線交點,面交點,體交點,點交點判斷點是否需要分裂,線交點一分為二,面交點一分為三,體交點一分為四,粘彈性模型,幾點假設(shè)： 瞬時應變彈性 應變和位移呈線性關(guān)系 應變由彈性和蠕變兩部分組成 蠕變應變率是應力和應變的函數(shù),粘彈性模型的系統(tǒng)方程：,由虛功原理得到的系統(tǒng)平衡方程：,引入粘彈性物理模型得到：,V為整個粘彈性體域，S為力邊界,有限元計算模型,連續(xù)的求解區(qū)域離散化，連續(xù)的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為離散的有限自由度問題 單元分析階段 單元矩陣計算（剛度、質(zhì)量、載荷） 整體組合階段 單元矩陣到整體矩陣的組合 約束處理 加入各節(jié)點的約束完成系統(tǒng)方程組 方程求解 求解系統(tǒng)方程組 應力應變計算 各單元的應變、應力計算,立體紋理映射