【摘要】：虛擬手術是外科手術的重要手段,也是虛擬現(xiàn)實的主要應用領域之一。本文將虛擬手術技術運用到耳顯微外科手術中,幫助手術醫(yī)生進行術前手術規(guī)劃和模擬訓練。一款滿足教學指導與模擬訓練作用的耳顯微外科虛擬手術系統(tǒng),不單要完成手術進程的充分模擬,而且要保證手術過程中手術操作者與模型之間的交互性,本文從以下角度對研發(fā)的耳顯微外科虛擬手術系統(tǒng)進行闡述:論文對通過CT、MRI斷層掃描并采用面繪制技術獲得的耳部模型進行了優(yōu)化。為更好地呈現(xiàn)虛擬手術過程的畫面效果,通過編寫強制雙面顯示的腳本實現(xiàn)背面消影以及利用索引改變耳部模型對應組織結構的RGBA值實現(xiàn)半透明化顯示功能。論文通過對傳統(tǒng)的碰撞檢測算法進行剖析,提出通過結合AABB包圍盒、包圍球、OBB包圍盒的混合多層次包圍盒樹算法來進行碰撞檢測,并采用自頂向下的檢索方式,有效降低時間復雜度和更新次數(shù),保證手術交互操作的實時性與精確性。論文優(yōu)化了傳統(tǒng)的彈簧-質(zhì)點模型,使用新的拓撲結構,提出運用支撐骨架球彈簧模型進行軟組織形變,在保持模型特征的同時具備良好的實時性與真實感,進一步提高虛擬手術交互過程中的沉浸感。在力反饋模塊,論文提出由各層形變的區(qū)域面積變化與胡克定律相結合的一種新的力反饋算法實現(xiàn),并由力反饋設備Falcon進行傳遞。此力反饋算法降低了計算復雜度,滿足系統(tǒng)的實時性要求,而且力反饋設備的引入增加了虛擬手術的交互性和逼真度。論文研發(fā)的耳顯微外科虛擬手術系統(tǒng)包含電子耳蝸植入術與人工鐙骨手術,對其中關鍵的、具有代表性的手術操作流程進行虛擬手術模擬。該系統(tǒng)具有高實時性、趣味性、強魯棒性的特點,滿足手術醫(yī)生進行術前指導和模擬訓練作用。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP391.9;R764.9
【圖文】：

上海交通大學碩士學位論文助下，成功獲得全球第一例女性人體切片數(shù)據(jù)[16]。直至 1995 年，因 Levy 在虛擬手術仿真系統(tǒng)中加入了力反饋設備，才第一次讓手術醫(yī)生真正進行具有代表性的交互虛擬手術操作。1997 年，美國 Delp 研究團隊基于 Visual Human 數(shù)據(jù)集研發(fā)出一套腿部外科虛擬手術系統(tǒng)[15]，如圖 1-1 所示。此虛擬手術系統(tǒng)對組織的切割、流血、止血、形變等操作過程進行了模擬，由于研發(fā)過程中受到解剖學知識欠缺、計算機低性能的圖形處理能力、力反饋設備及算法的匱乏等限制，此虛擬手術系統(tǒng)雖然存在諸多問題，但標志著虛擬手術系統(tǒng)的可行性與可發(fā)展性[17]。

圖 1-2 Stanford 大學的血管及神經(jīng)縫合虛擬手術系統(tǒng)Fig.1-2 Vascular and nerve suture virtual surgery system of Stanford University美國Washington大學的Berkley J研究團隊研發(fā)出一套基于有限元凝聚法的手術縫合操作增強現(xiàn)實系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用立體顯示設備和增強現(xiàn)實算法，有效增強了手術過程中的沉浸感，如圖 1-3 所示。此增強現(xiàn)實系統(tǒng)利用線性有限元對形變組織結構進行幾何建模，降低了計算復雜度，在保持較高精度的同時還具備多點交互與邊界可調(diào)等功能。但該系統(tǒng)的缺陷是不能對網(wǎng)格進行實時地更新，在組織形變、切割縫合等手術過程中存在局限性[19]。圖 1-3 Washington 大學的手術縫合操作增強現(xiàn)實系統(tǒng)

圖 1-2 Stanford 大學的血管及神經(jīng)縫合虛擬手術系統(tǒng)Fig.1-2 Vascular and nerve suture virtual surgery system of Stanford University美國Washington大學的Berkley J研究團隊研發(fā)出一套基于有限元凝聚法的手術縫合操作增強現(xiàn)實系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用立體顯示設備和增強現(xiàn)實算法，有效增強了手術過程中的沉浸感，如圖 1-3 所示。此增強現(xiàn)實系統(tǒng)利用線性有限元對形變組織結構進行幾何建模，降低了計算復雜度，在保持較高精度的同時還具備多點交互與邊界可調(diào)等功能。但該系統(tǒng)的缺陷是不能對網(wǎng)格進行實時地更新，在組織形變、切割縫合等手術過程中存在局限性[19]。

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 陳穎;胡序一;朱奇光;;虛擬手術中基于遺傳算法的質(zhì)點彈簧模型參數(shù)確定[J];生物醫(yī)學工程學雜志;2015年06期

2 于凌濤;王濤;宋華建;王正雨;張寶玉;;面向虛擬手術的碰撞檢測優(yōu)化算法[J];哈爾濱工程大學學報;2014年09期

3 秦聰;楊文珍;吳新麗;顏傳武;邵明朝;;基于改進彈簧質(zhì)點模型的虛擬織物觸覺生成[J];系統(tǒng)仿真學報;2013年09期

4 劉雪梅;王瑞藝;郭松;;基于質(zhì)點—彈簧體模型與改進歐拉算法的力反饋[J];系統(tǒng)仿真學報;2013年09期

5 顧沁婷;李艷梅;劉翔;;基于質(zhì)點彈簧模型的織物形象化仿真技術與展望[J];紡織學報;2013年03期

6 郭曉君;楊漢嵩;朱煜鈺;;一種用于虛擬手術仿真的碰撞檢測方法[J];計算機測量與控制;2013年01期

7 史雙瑤;沈建新;梁春;;一種用于軟組織變形仿真的支撐球彈簧模型[J];計算機應用與軟件;2013年01期

8 徐少平;劉小平;李春泉;羅潔;江順亮;;基于狀態(tài)空間預計算的軟組織實時形變模型[J];計算機工程;2012年22期

9 鄭延斌;郭凌云;劉晶晶;;混合包圍盒碰撞檢測算法研究[J];計算機工程;2012年13期

10 方艷紅;吳斌;楊正宜;;柔性體力觸覺形變模型研究[J];計算機工程與應用;2012年14期

相關博士學位論文 前3條

1 徐少平;虛擬手術仿真中軟組織實時形變模型的研究[D];南昌大學;2010年

2 鮑春波;生物軟組織建模仿真方法研究[D];大連理工大學;2008年

3 楊文珍;虛擬手交互真實力覺生成研究[D];浙江大學;2007年

相關碩士學位論文 前2條

1 王莉娟;虛擬手術力反饋人機交互控制系統(tǒng)研究[D];上海交通大學;2010年

2 李國杰;基于虛擬現(xiàn)實技術的力覺交互設備的研究與構建[D];上海交通大學;2008年

本文編號：2769239