【摘要】：虛擬手術(shù)是外科手術(shù)的重要手段,也是虛擬現(xiàn)實(shí)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。本文將虛擬手術(shù)技術(shù)運(yùn)用到耳顯微外科手術(shù)中,幫助手術(shù)醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前手術(shù)規(guī)劃和模擬訓(xùn)練。一款滿足教學(xué)指導(dǎo)與模擬訓(xùn)練作用的耳顯微外科虛擬手術(shù)系統(tǒng),不單要完成手術(shù)進(jìn)程的充分模擬,而且要保證手術(shù)過(guò)程中手術(shù)操作者與模型之間的交互性,本文從以下角度對(duì)研發(fā)的耳顯微外科虛擬手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行闡述:論文對(duì)通過(guò)CT、MRI斷層掃描并采用面繪制技術(shù)獲得的耳部模型進(jìn)行了優(yōu)化。為更好地呈現(xiàn)虛擬手術(shù)過(guò)程的畫面效果,通過(guò)編寫強(qiáng)制雙面顯示的腳本實(shí)現(xiàn)背面消影以及利用索引改變耳部模型對(duì)應(yīng)組織結(jié)構(gòu)的RGBA值實(shí)現(xiàn)半透明化顯示功能。論文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的碰撞檢測(cè)算法進(jìn)行剖析,提出通過(guò)結(jié)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(lái)進(jìn)行碰撞檢測(cè),并采用自頂向下的檢索方式,有效降低時(shí)間復(fù)雜度和更新次數(shù),保證手術(shù)交互操作的實(shí)時(shí)性與精確性。論文優(yōu)化了傳統(tǒng)的彈簧-質(zhì)點(diǎn)模型,使用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提出運(yùn)用支撐骨架球彈簧模型進(jìn)行軟組織形變,在保持模型特征的同時(shí)具備良好的實(shí)時(shí)性與真實(shí)感,進(jìn)一步提高虛擬手術(shù)交互過(guò)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(jié)合的一種新的力反饋算法實(shí)現(xiàn),并由力反饋設(shè)備Falcon進(jìn)行傳遞。此力反饋算法降低了計(jì)算復(fù)雜度,滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,而且力反饋設(shè)備的引入增加了虛擬手術(shù)的交互性和逼真度。論文研發(fā)的耳顯微外科虛擬手術(shù)系統(tǒng)包含電子耳蝸植入術(shù)與人工鐙骨手術(shù),對(duì)其中關(guān)鍵的、具有代表性的手術(shù)操作流程進(jìn)行虛擬手術(shù)模擬。該系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性、趣味性、強(qiáng)魯棒性的特點(diǎn),滿足手術(shù)醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前指導(dǎo)和模擬訓(xùn)練作用。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP391.9;R764.9
【圖文】：

上海交通大學(xué)碩士學(xué)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(shù)仿真系統(tǒng)中加入了力反饋設(shè)備，才第一次讓手術(shù)醫(yī)生真正進(jìn)行具有代表性的交互虛擬手術(shù)操作。1997 年，美國(guó) Delp 研究團(tuán)隊(duì)基于 Visual Human 數(shù)據(jù)集研發(fā)出一套腿部外科虛擬手術(shù)系統(tǒng)[15]，如圖 1-1 所示。此虛擬手術(shù)系統(tǒng)對(duì)組織的切割、流血、止血、形變等操作過(guò)程進(jìn)行了模擬，由于研發(fā)過(guò)程中受到解剖學(xué)知識(shí)欠缺、計(jì)算機(jī)低性能的圖形處理能力、力反饋設(shè)備及算法的匱乏等限制，此虛擬手術(shù)系統(tǒng)雖然存在諸多問(wèn)題，但標(biāo)志著虛擬手術(shù)系統(tǒng)的可行性與可發(fā)展性[17]。

圖 1-2 Stanford 大學(xué)的血管及神經(jīng)縫合虛擬手術(shù)系統(tǒng)Fig.1-2 Vascular and nerve suture virtual surgery system of Stanford University美國(guó)Washington大學(xué)的Berkley J研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一套基于有限元凝聚法的手術(shù)縫合操作增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用立體顯示設(shè)備和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)算法，有效增強(qiáng)了手術(shù)過(guò)程中的沉浸感，如圖 1-3 所示。此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用線性有限元對(duì)形變組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模，降低了計(jì)算復(fù)雜度，在保持較高精度的同時(shí)還具備多點(diǎn)交互與邊界可調(diào)等功能。但該系統(tǒng)的缺陷是不能對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行實(shí)時(shí)地更新，在組織形變、切割縫合等手術(shù)過(guò)程中存在局限性[19]。圖 1-3 Washington 大學(xué)的手術(shù)縫合操作增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

圖 1-2 Stanford 大學(xué)的血管及神經(jīng)縫合虛擬手術(shù)系統(tǒng)Fig.1-2 Vascular and nerve suture virtual surgery system of Stanford University美國(guó)Washington大學(xué)的Berkley J研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一套基于有限元凝聚法的手術(shù)縫合操作增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用立體顯示設(shè)備和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)算法，有效增強(qiáng)了手術(shù)過(guò)程中的沉浸感，如圖 1-3 所示。此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)利用線性有限元對(duì)形變組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模，降低了計(jì)算復(fù)雜度，在保持較高精度的同時(shí)還具備多點(diǎn)交互與邊界可調(diào)等功能。但該系統(tǒng)的缺陷是不能對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行實(shí)時(shí)地更新，在組織形變、切割縫合等手術(shù)過(guò)程中存在局限性[19]。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2769239