【摘要】：外科手術(shù)是臨床治療的重要手段。隨著科技的發(fā)展及生活水平的提升,從開放手術(shù)到微創(chuàng)手術(shù),操作方式往精準(zhǔn)化發(fā)展,要求醫(yī)生手術(shù)技能的專業(yè)化程度越來越高。手術(shù)作為一種性命攸關(guān)的治療手段,其臨床技能通常需要外科醫(yī)生長時間的訓(xùn)練與積累。長期以來,醫(yī)生缺乏足夠的訓(xùn)練方式和機(jī)會,這與社會對成熟外科醫(yī)生的巨大需求形成矛盾。伴隨虛擬現(xiàn)實技術(shù)及計算機(jī)硬件的快速發(fā)展,虛擬手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。通過對體內(nèi)環(huán)境的三維建模與可視化,結(jié)合擬真人機(jī)交互方式,虛擬手術(shù)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)真實手術(shù)全流程演示與交互操作,提供針對性的重復(fù)訓(xùn)練,成為基礎(chǔ)技能學(xué)習(xí)與臨床練習(xí)之間的過渡環(huán)節(jié),極大提升培訓(xùn)效率。實時形變模擬是虛擬手術(shù)系統(tǒng)開發(fā)中最為關(guān)鍵的模塊,它涉及體內(nèi)環(huán)境真實感渲染,包括器官組織的形變、創(chuàng)傷、流血及縫合等的器械器官交互操作,使得虛擬手術(shù)系統(tǒng)更接近臨床表現(xiàn)。實時形變模擬滿足可用性需要解決三個關(guān)鍵問題:一、準(zhǔn)確性,可變形體的形變特征具有物理依據(jù),在三維視覺上可信;二、實時性,形變計算能在極短時間內(nèi)完成,滿足不同應(yīng)用環(huán)境的要求;三、魯棒性,模型具有數(shù)值穩(wěn)定性,在長時間操作及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變下模型不會崩潰,不喪失計算精度。更近一步,實時形變模擬達(dá)到實用性需要解決兩個關(guān)鍵問題:一、多樣性,包括器械、器官及體液等不同動態(tài)物體都能模擬計算;二、易用性,整合三維渲染模型及實時碰撞檢測算法,方便地應(yīng)用于特定手術(shù)模塊開發(fā)。著眼于以上兩方面,開展本文研究工作。首先,生物軟組織是虛擬手術(shù)系統(tǒng)中最關(guān)注的可變形體,占據(jù)著醫(yī)師的大部分手術(shù)操作和視野。相較于簡單柔性體,生物軟組織作為有機(jī)高聚物,其呈現(xiàn)出非線性、粘彈性及不可壓縮性的力學(xué)特征。為更好地模擬生物軟組織,本文提出了一種生物軟組織實時形變模擬方法SpringPBD,將非線性-粘彈簧引入基于位置動力學(xué)中,結(jié)合體積不變約束,實現(xiàn)模擬生物軟組織的典型力學(xué)特征。以肝臟器官離線有限元計算結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn),SpringPBD算法的全局誤差比現(xiàn)行主流實時形變模擬算法更低。此算法具有較高的實時性和準(zhǔn)確性。其次,以不可伸長彈性桿為物理模型的手術(shù)縫合線、介入手術(shù)導(dǎo)絲和纖維內(nèi)鏡等醫(yī)療器械在手術(shù)中應(yīng)用廣泛,而不可伸長手術(shù)縫合線由于穿刺、纏繞和打結(jié)等行為呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的交互效果。因此本文以不可伸長手術(shù)縫合線為研究目標(biāo),采用離散Cosserat彈性桿模型,結(jié)合直接距離約束求解,實現(xiàn)模擬手術(shù)縫合線在發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)等大變形時保持長度幾乎不變,長度變化率低于3.2%。同時借助連續(xù)碰撞檢測與響應(yīng),呈現(xiàn)了大時間步長模擬下的穩(wěn)定打結(jié)、纏繞和生物軟組織縫合效果。再次,一個完整的虛擬手術(shù)場景,包含生物軟組織、手術(shù)器械及血液等多種動態(tài)物體,涉及到大量的碰撞解算和形變計算。考慮到三維渲染的技術(shù)特點,本文采用計算著色器實現(xiàn)了GPU并行加速的統(tǒng)一粒子框架CSDynamic,利用基于位置動力學(xué)模擬系統(tǒng)中的各類動態(tài)物體。通過對物理計算中最耗時的碰撞檢測和約束投影進(jìn)行并行改造,在大量基元的模擬場景中碰撞檢測加速比最高達(dá)15,約束投影加速比最高達(dá)17。CSDynamic構(gòu)建的夾持訓(xùn)練場景,物理計算每幀平均耗時僅7.19毫秒。該框架滿足實用性的要求,且具有跨平臺的技術(shù)特點。最后,在應(yīng)用環(huán)節(jié),本文提出了一個基于中國數(shù)字人的虛擬手術(shù)系統(tǒng)快速開發(fā)流程,涵蓋人體器官和手術(shù)器械建模方法,以及手術(shù)場景的實時真實感渲染。借助中國參考人技術(shù),該流程可套用至不同年齡階段及體型的中國人群。本文應(yīng)用該流程構(gòu)建了腹腔鏡膽囊切除虛擬手術(shù)系統(tǒng),該系統(tǒng)由自研五自由度機(jī)械手及圖形渲染設(shè)備組成,具有基礎(chǔ)技能及完整手術(shù)流程的訓(xùn)練功能。綜上所述,本文提出了針對于生物軟組織和不可伸長手術(shù)縫合線的兩種實時形變模擬方法,一套GPU加速的應(yīng)用框架和一個虛擬手術(shù)系統(tǒng)快速開發(fā)流程。本文的研究意義在于走通了面向虛擬手術(shù)系統(tǒng)開發(fā)實時形變模擬方法的全流程,該流程能夠高效地滿足不同手術(shù)類型下模擬仿真的需求,為可靠的手術(shù)技能培訓(xùn)提供技術(shù)支撐。本文所述方法不僅能夠應(yīng)用于虛擬手術(shù)系統(tǒng),在互動游戲、電影動畫及教育培訓(xùn)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：R318;TP391.9
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 經(jīng)驗也吸引著研究者將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于臨床手術(shù)的教學(xué)和培訓(xùn)[10-21]�，F(xiàn)今已有成熟的商業(yè)虛擬手術(shù)系統(tǒng)[22]面世，國際較為知名的如圖 1.1.以色mbionix[23]公司的腹腔鏡、消化道內(nèi)鏡、關(guān)節(jié)鏡等系列虛擬手術(shù)系統(tǒng)。隨著遠(yuǎn)程機(jī)器人[24]技術(shù)全球范圍內(nèi)的推廣，da Vinci Skills Simulator[25]虛擬手術(shù)系統(tǒng)被開于進(jìn)行機(jī)械手臂的操作練習(xí)。加拿大航空電子設(shè)備公司開發(fā)出用于腦神經(jīng)手術(shù)訓(xùn) NeuroVR[26]虛擬手術(shù)系統(tǒng)。SimSurgery[27]公司的腹腔鏡培訓(xùn)模擬器 SEP 系列產(chǎn)現(xiàn)了膽囊切除、宮外孕微創(chuàng)手術(shù)、卵巢囊腫切除術(shù)等腹腔鏡手術(shù)的模擬。

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文 ]。而香港中文大學(xué)王平安團(tuán)隊基于中國可視人數(shù)據(jù)集重建出一套虛擬人體三維解構(gòu)[39]，后續(xù)結(jié)合多模態(tài)數(shù)據(jù)融合及超聲成像仿真構(gòu)建了超聲引導(dǎo)活檢虛擬手術(shù)系]。更近一步地通過全身血管三維重建，并仿真 X 射線成像過程構(gòu)建了虛擬血管手術(shù)系統(tǒng)[41]以減輕醫(yī)師培訓(xùn)中的輻射傷害并提供標(biāo)準(zhǔn)化的臨床教育流程。

圖 1.3 虛擬手術(shù)系統(tǒng)中的共性技術(shù)。Figure 1.3 The generic technology in virtual surgery system.1.2 實時形變模擬的基本要求及技術(shù)路線實時形變模擬的研究目標(biāo)是可變形體，可變形體指運(yùn)動和受力作用后，形狀或小會發(fā)生變化的物體�？勺冃误w在自然界中廣泛存在，如典型的橡膠、塑料及金屬等在某些特殊或理想情況下，可變形體會退化為剛體，剛體指在運(yùn)動和受力作用后，狀和大小不變，且內(nèi)部各物質(zhì)基元相對位置不變的物體。如圖 1.4 所示，剛體的力特點是在受外力作用的過程中以質(zhì)心為整體進(jìn)行考慮，外形僅作為接觸判斷和轉(zhuǎn)矩算，不會發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。而可變形體的受力分析需要以微小的連續(xù)物質(zhì)基元作為基礎(chǔ)，分析物體不同部所受的外力狀態(tài)以及相鄰物質(zhì)基元之間的相互作用�？勺冃误w的整體形變是由外力用于內(nèi)部物質(zhì)基元通過內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)之間的相互作用傳遞到整體來表征。在離線計

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