隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(Virtual Reality,VR)正成為計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)的重要組成部分,它給傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)手術(shù)培訓(xùn)帶來了顛覆性的變革。虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)仿真系統(tǒng)綜合了生物醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形圖像學(xué)、數(shù)學(xué)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識。利用力觸覺技術(shù)和視覺沉浸技術(shù),能方便地為用戶營造一個(gè)視覺和力觸覺融合的虛擬環(huán)境,可以對目標(biāo)模型進(jìn)行手術(shù)仿真,有利于醫(yī)生對病灶進(jìn)行觀察研究,制定合理的手術(shù)操作路徑,方便進(jìn)行術(shù)前模擬,同時(shí)也有利于醫(yī)學(xué)學(xué)生或者新手外科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)培訓(xùn),有助于使用者了解手術(shù)流程和手術(shù)要領(lǐng),提升使用者的手術(shù)操作水平。本文中所開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng)(Virtual Reality-based Surgical Training Simulator,VRSTS)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件部分包括力反饋儀器Omega.6、沉浸式平臺和高性能圖形工作站,用于提供視覺和力觸覺交互。軟件部分基于計(jì)算機(jī)視覺和觸覺類庫CHAI3D、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)類庫VTK和用戶圖形界面類庫Qt進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)采用力觸覺和視覺分離的多線程編程技術(shù),以滿足視覺和力觸覺進(jìn)程中刷新頻率不同的要求。本文對視覺渲染引擎OpenGL的工作流程進(jìn)行了分析,研究了OpenGL環(huán)境下模型的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)的變換矩陣�；谀繕�(biāo)模型與手術(shù)工具的AABB包圍盒,構(gòu)建了多層次的包圍樹模型,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)碰撞檢測算法。針對手術(shù)目標(biāo)模型網(wǎng)格粗糙或者不光滑的情況,提出了空間Hermite插值和Loop網(wǎng)格細(xì)分算法,經(jīng)過網(wǎng)格細(xì)分以后,手術(shù)模型操作區(qū)域的網(wǎng)格更加光滑平順,有利于實(shí)現(xiàn)良好的視覺仿真效果。根據(jù)手術(shù)對象的組織密度、組織厚度和手術(shù)操作的速度與深度等因素,構(gòu)建了觸覺反饋力的本構(gòu)方程,力反饋效果較為接近真實(shí)手術(shù)的實(shí)際情形。本文以鉆孔和切割這兩種具有代表性的手術(shù)操作為切入點(diǎn),進(jìn)行了手術(shù)仿真的研究分析。首先,提出了復(fù)雜手術(shù)工具的約束算法,以將自由移動(dòng)的手術(shù)工具約束到手術(shù)操作的指定方向,從而有效防止因?yàn)榕鲎矙z測反饋力而引起的手術(shù)工具無序跳動(dòng)。在此基礎(chǔ)上,提出了一種鉆孔形變控制算法,并根據(jù)手術(shù)實(shí)際需要,實(shí)現(xiàn)了逐級擴(kuò)孔功能,可以對不同孔徑、不同轉(zhuǎn)速下的多次鉆孔操作進(jìn)行仿真�；诿嫫史址ê晚旤c(diǎn)移動(dòng)法的網(wǎng)格切分和重建過程,實(shí)現(xiàn)了切割手術(shù)操作仿真。針對醫(yī)學(xué)圖像三維重建的另一種關(guān)鍵方法——體繪制重建技術(shù),本文采用光線投射法對模型進(jìn)行了三維可視化重建,并利用單元去除法對體繪制重建模型進(jìn)行了鉆孔和切割操作的仿真實(shí)驗(yàn)。綜上所述,本文開發(fā)實(shí)現(xiàn)了一種虛擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)仿真培訓(xùn)系統(tǒng),該系統(tǒng)具有較為良好的人機(jī)界面交互友好性、操作便利性以及視覺和力觸覺反饋的逼真性。通過對專家學(xué)者和醫(yī)學(xué)學(xué)生在試用本系統(tǒng)后的反饋信息進(jìn)行分析,表明本系統(tǒng)在推廣性、實(shí)用性、易用性、視覺與力觸覺真實(shí)性方面表現(xiàn)良好,可以作為醫(yī)學(xué)學(xué)生培訓(xùn)的工具,有助于醫(yī)學(xué)數(shù)字化發(fā)展,具有較為重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TP391.9;TH77

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