與傳統(tǒng)的外科醫(yī)生培訓(xùn)方法相比,在虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,VR)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)(Virtual Surgery Simulating System,VSSS)具有成本低、效率高、可重復(fù)練習(xí)、不受時空和倫理道德約束等優(yōu)點,正成為醫(yī)療領(lǐng)域的研究熱點和前沿課題。虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)借助計算機技術(shù)在虛擬環(huán)境中建立一個與現(xiàn)實世界相同的逼真手術(shù)場景,讓用戶通過力反饋設(shè)備與虛擬的組織器官進行交互,完成觸診、切割、撕裂、抽吸等手術(shù)操作訓(xùn)練,從而快速、有效地提高實習(xí)醫(yī)生、新晉醫(yī)生等低年資醫(yī)生的外科手術(shù)技能。同時,也可以作為輔助手段優(yōu)化手術(shù)方案、進行術(shù)中導(dǎo)航。虛擬手術(shù)仿真是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的擴展和延伸,為醫(yī)生培訓(xùn)、手術(shù)導(dǎo)航、遠程醫(yī)療開辟了一個全新的領(lǐng)域。切割作為實際手術(shù)中使用頻率最高、最普遍的手術(shù)操作,對其進行“無失真”模擬是虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。由于軟組織具有非線性、粘彈性、不可壓縮性和各項異性等多種復(fù)雜的材料特性,軟組織的切割模擬仿真一直是該領(lǐng)域的難題。實際手術(shù)中醫(yī)生主要根據(jù)軟組織在受到手術(shù)刀具作用時所反饋的視覺和觸覺信息進行調(diào)整,完成切割操作。因此,本文從提高系統(tǒng)的視覺反饋和觸覺反饋效果出發(fā),以讓用戶體驗到如同真實手術(shù)般逼真的切割過程為目標(biāo),展開深入地研究,主要完成了以下研究工作:以醫(yī)學(xué)上常用的二維CT圖像為數(shù)據(jù)源,重構(gòu)了同時包含表面網(wǎng)格和內(nèi)部點云的軟組織三維體模型。首先,以CT圖像為基礎(chǔ),運用Mimics醫(yī)用軟件構(gòu)建人體軟組織三維表面模型。這個過程實現(xiàn)了從二維灰度圖像到三維立體模型的轉(zhuǎn)換;然后,從人體軟組織的三維表面模型出發(fā),運用Morphing連續(xù)形變技術(shù)對三維表面模型進行體素化,從而得到包含內(nèi)部點云的人體軟組織體模型。與有限元剖分算法相比,本文所述基于Morphing的建模方法在插值時采用的是Hermite插值,這種插值方法是一種非線性的插值方法,可以更好地擬合軟組織的幾何外形,精度更高。點元在空間的分布更為均勻,而不是沿著某個方向均勻分布,更加符合組織的分布特點。同時,可根據(jù)模型的精度要求,設(shè)置相應(yīng)的插值步長,從而獲得合適的三維體模型。針對基于網(wǎng)格的軟組織切割模型在進行單元網(wǎng)格剖分預(yù)處理時工作量大,對于像軟組織這樣的復(fù)雜三維物體難以建立良好的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),且切割過程容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。以及在無網(wǎng)格框架下建立的軟組織切割模型計算量大,位移(本質(zhì))邊界條件難以施加,切口繪制困難等缺陷。本文提出了一種基于網(wǎng)格和無網(wǎng)格的混合切割模型。具體地,采用貝塞爾曲線繪制的表面切口光滑,與真實的手術(shù)切口吻合一致;基于位移矢量梯度的內(nèi)部點元形變模型可以較好地表現(xiàn)組織內(nèi)部在手術(shù)刀具作用下的形態(tài)變化。首次提出的虛擬點概念,將兩個相互獨立的表面網(wǎng)格模型和內(nèi)部無網(wǎng)格模型無縫的耦合成為一體,進一步提高了視覺反饋的逼真度。同時,利用表面網(wǎng)格邊界插值得到的虛擬點元可以作為內(nèi)部點元的邊界條件,解決了無網(wǎng)格方法位移邊界條件難以施加的問題。在計算內(nèi)部點元的位移時,借助水平集的方法,將軟組織的整個點云模型分為切割影響區(qū)和非影響區(qū)。對位于切割影響區(qū)內(nèi)的點元運用基于位移矢量梯度的方法計算其在手術(shù)刀具作用下的位移,而處于非影響區(qū)內(nèi)的點元則不做計算,這樣有效地提高了模型的計算速度。針對當(dāng)前許多軟組織切割模型在模擬切割過程時未考慮組織被切開前的形變過程,本文將軟組織的整個切割過程分為被切開前的形變,切開,切開后的形變?nèi)齻�過程。為了提高模型的精度和更全面地描述軟組織的材料特性,非線性粘彈性被引入到本文所述模型中。分析了軟組織被刀具切割時的受力情況及影響切割力的因素。從作用力與反作用力的基本原理出發(fā),分析了切割反饋力的渲染效果,建立了包含切割速度和切割角度的反饋力計算模型。通過真實的軟組織切割試驗證明了該模型的準(zhǔn)確性和有效性。針對力反饋設(shè)備后驅(qū)性低、系統(tǒng)摩擦大、系統(tǒng)剛度低,產(chǎn)生的噪聲容易淹沒真實反饋力的問題,本文提出了一種有源補償和無源補償相結(jié)合的方法對現(xiàn)有的力反饋設(shè)備進行重力補償。采用彈簧對力反饋設(shè)備進行重力補償;對于剩余重力則采用有源重力補償。這樣不但不會削弱力反饋設(shè)備所能夠提供給操作者的凈反饋力,而且控制電機也無需采用復(fù)雜的控制算法。可以在幾乎不增加系統(tǒng)力反饋設(shè)備系統(tǒng)總體慣量的前提下盡可能地對力反饋設(shè)備進行完全重力補償。對比補償前后所采集的力反饋信號可以看出,未進行重力補償時所獲取的反饋切割力被淹沒在力反饋設(shè)備的噪聲中;補償后的反饋力與模型計算的反饋力更加吻合,誤差較小。最后,本文設(shè)計了一個具有高沉浸感和交互性的通用虛擬手術(shù)仿真平臺。該平臺可以根據(jù)用戶的不同身高和操作習(xí)慣自適應(yīng)地調(diào)節(jié)位姿,使用戶在進行手術(shù)訓(xùn)練時更加舒適。同時,該平臺具有很好的擴展性,可以根據(jù)不同的手術(shù)類型配置不同的力反饋設(shè)備和虛擬手術(shù)軟件系統(tǒng)。
【學(xué)位單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：R61;TP391.9
【部分圖文】：

圖 1.1 習(xí)近平主席觀看虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)課題研究意義有力反饋的手術(shù)仿真系統(tǒng)是計算機虛擬現(xiàn)實在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)上的一個擬手術(shù)仿真系統(tǒng)是指利用力反饋設(shè)備（手術(shù)器械連接在力反饋設(shè)備立的虛擬組織模型上進行按壓、切割、灼燒、撕裂、抽吸等操作，進行實時地交互，從而讓操作者感受到如同真實手術(shù)般的交互體驗[

圖 1.2 可視人計劃建立的男、女人體組織切片圖形[19-20]美國斯坦福大學(xué) Delp 領(lǐng)導(dǎo)的科研團隊在虛擬手術(shù)仿真領(lǐng)域做了許多開創(chuàng)性的工作。Delp 等人研制的小腿跟腱移植虛擬手術(shù)被公認為世界上第一個虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)，如圖 1.3 所示[21]。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，僅僅只能通過顯示設(shè)備觀察和了解腿部跟腱移植的手術(shù)過程，不能與虛擬環(huán)境進行交互，缺少觸覺反饋。而且重構(gòu)的骨骼肌采用的是幾何模型，逼真度不高。隨后，為了提高虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)的精度和逼真性，Delp 等人在 Visible Human 數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上構(gòu)建

圖 1.3 腿部虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)[22]直到 1998 年，法國國家信息和自動化研究所（INRIA）Cotin 等人開發(fā)的腹部虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)才將觸覺加入到系統(tǒng)中，使得操作者可以使用力反饋設(shè)備與虛擬組織進行交互，并根據(jù)不同的手術(shù)器械和操作類型計算軟組織在受到外部力作用下的形變。同時，將操作過程中產(chǎn)生的力反饋給操作者。該系統(tǒng)功能完備，交互性較強[23]。隨后，Cotin 等人率先開發(fā)成功了基于有限元物理形變模型的虛擬肝臟切割手術(shù)系統(tǒng)[24]。系統(tǒng)的軟組織模型與力反饋設(shè)備相結(jié)合能夠達
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本文編號：2839442