隨著科學技術的日益發(fā)展,虛擬現(xiàn)實技術(Virtual Reality,VR)正成為計算機輔助手術的重要組成部分,它給傳統(tǒng)醫(yī)學手術培訓帶來了顛覆性的變革。虛擬現(xiàn)實手術仿真系統(tǒng)綜合了生物醫(yī)學、計算機圖形圖像學、數(shù)學、機械動力學等多個學科領域的知識。利用力觸覺技術和視覺沉浸技術,能方便地為用戶營造一個視覺和力觸覺融合的虛擬環(huán)境,可以對目標模型進行手術仿真,有利于醫(yī)生對病灶進行觀察研究,制定合理的手術操作路徑,方便進行術前模擬,同時也有利于醫(yī)學學生或者新手外科醫(yī)生進行手術培訓,有助于使用者了解手術流程和手術要領,提升使用者的手術操作水平。本文中所開發(fā)的虛擬現(xiàn)實手術仿真培訓系統(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。軟件部分基于計算機視覺和觸覺類庫CHAI3D、計算機圖形學類庫VTK和用戶圖形界面類庫Qt進行開發(fā)。系統(tǒng)采用力觸覺和視覺分離的多線程編程技術,以滿足視覺和力觸覺進程中刷新頻率不同的要求。本文對視覺渲染引擎OpenGL的工作流程進行了分析,研究了OpenGL環(huán)境下模型的平移、縮放、旋轉的變換矩陣�；谀繕四Ｐ团c手術工具的AABB包圍盒,構建了多層次的包圍樹模型,實現(xiàn)了實時碰撞檢測算法。針對手術目標模型網(wǎng)格粗糙或者不光滑的情況,提出了空間Hermite插值和Loop網(wǎng)格細分算法,經(jīng)過網(wǎng)格細分以后,手術模型操作區(qū)域的網(wǎng)格更加光滑平順,有利于實現(xiàn)良好的視覺仿真效果。根據(jù)手術對象的組織密度、組織厚度和手術操作的速度與深度等因素,構建了觸覺反饋力的本構方程,力反饋效果較為接近真實手術的實際情形。本文以鉆孔和切割這兩種具有代表性的手術操作為切入點,進行了手術仿真的研究分析。首先,提出了復雜手術工具的約束算法,以將自由移動的手術工具約束到手術操作的指定方向,從而有效防止因為碰撞檢測反饋力而引起的手術工具無序跳動。在此基礎上,提出了一種鉆孔形變控制算法,并根據(jù)手術實際需要,實現(xiàn)了逐級擴孔功能,可以對不同孔徑、不同轉速下的多次鉆孔操作進行仿真�；诿嫫史址ê晚旤c移動法的網(wǎng)格切分和重建過程,實現(xiàn)了切割手術操作仿真。針對醫(yī)學圖像三維重建的另一種關鍵方法——體繪制重建技術,本文采用光線投射法對模型進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行了鉆孔和切割操作的仿真實驗。綜上所述,本文開發(fā)實現(xiàn)了一種虛擬現(xiàn)實手術仿真培訓系統(tǒng),該系統(tǒng)具有較為良好的人機界面交互友好性、操作便利性以及視覺和力觸覺反饋的逼真性。通過對專家學者和醫(yī)學學生在試用本系統(tǒng)后的反饋信息進行分析,表明本系統(tǒng)在推廣性、實用性、易用性、視覺與力觸覺真實性方面表現(xiàn)良好,可以作為醫(yī)學學生培訓的工具,有助于醫(yī)學數(shù)字化發(fā)展,具有較為重要的臨床應用價值。
【學位單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TP391.9;TH77

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本文編號：2809454