前 言

由于當(dāng)代外科治療對個體化、治療的精確化以及創(chuàng)傷的最小化的不斷追求，作為達(dá)成這些目的的重要支撐和保障的醫(yī)學(xué)手術(shù)的仿真模擬技術(shù)，已成為計算機(jī)在輔助外科手術(shù)工作這個研究方向中的最大熱點(diǎn)之一，例如微創(chuàng)介入手術(shù)(MinimallyInvasive Surger, MIS)以及一些復(fù)雜的開放手術(shù)一般都需要在手術(shù)前進(jìn)行仿真模擬（如換臉、腦部、心臟等）。計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的融合使得外科手術(shù)在近二十年中邁入了微創(chuàng)化時代，相比傳統(tǒng)的手術(shù)方式，微創(chuàng)手術(shù)加快了病人的術(shù)后恢復(fù)，但不可否認(rèn)的是仍然有很多的限制因素存在于微創(chuàng)手術(shù)自身，主要體現(xiàn)在醫(yī)生獲得的反饋信息有限，對手與眼睛的協(xié)調(diào)提出更大的要求，成像范圍狹小并缺少立體感，這些客觀條件都要求醫(yī)生擁有更高的技術(shù)水平，必須通過長期的大量反復(fù)試驗(yàn)才能實(shí)現(xiàn)。同時，傳統(tǒng)的訓(xùn)練方式由于材料的限制無法達(dá)到訓(xùn)練次數(shù)的要求，然而仿真模擬為重復(fù)多次的手術(shù)訓(xùn)練提供了可行性，所以對于手術(shù)的仿真模擬研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義。除此以外，由于在所有外科手術(shù)的過程中，軟組織都會因?yàn)橥饬Χa(chǎn)生形變或位移，因此單純依靠手術(shù)前計算機(jī)掃描得到的影像來確立的手術(shù)導(dǎo)航，必定存在一定的局限性，所以將軟組織的仿真模擬運(yùn)用在手術(shù)導(dǎo)航中則變得必不可少。

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文獻(xiàn)回顧

1 手術(shù)仿真模擬發(fā)展綜述

由于傳統(tǒng)的斷層成像技術(shù)提供的是人體及其內(nèi)部器官某個斷層的二維圖像，醫(yī)生們需要通過經(jīng)驗(yàn)和想象推斷出人體器官的三維結(jié)構(gòu)，診斷的正確與否往往在很大程度上都要依賴醫(yī)師的個人經(jīng)驗(yàn)，因此三維可視化和基于影像的仿真模擬近年來在臨床及基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)中引起廣泛關(guān)注。醫(yī)學(xué)圖像三維可視化的實(shí)現(xiàn)過程中最重要的一個環(huán)節(jié)就是三維重建，即把二維斷層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維幾何數(shù)據(jù)的過程。三維重建通過對大量連續(xù)的斷層二維圖像進(jìn)行邊界識別等分割處理,再由計算機(jī)通過相應(yīng)的算法進(jìn)行自動檢索來獲取被掃描物體的拓?fù)湫畔⑴c二維幾何信息，從而構(gòu)建出與真實(shí)相符的三維模型,從而真實(shí)地還原出所檢測物體的三維影像，提供傳統(tǒng)成像技術(shù)無法獲得的空間解剖結(jié)構(gòu)信息,清晰地表現(xiàn)出人體組織器官的輪廓以及每個器官之間的解剖關(guān)系,更好地描述復(fù)雜結(jié)構(gòu)的完整形態(tài)[9]。伴隨著計算機(jī)技術(shù)的井噴式發(fā)展，醫(yī)學(xué)圖像的三維可視化已經(jīng)不僅限于原先的輔助診斷，如今更是已經(jīng)發(fā)展成為用以輔助臨床醫(yī)學(xué)治療過程的主要手段。國內(nèi)外學(xué)者高度重視三維重建技術(shù)并進(jìn)行大量研究，使得三維可視化廣泛應(yīng)用到醫(yī)學(xué)的多個領(lǐng)域.

2 軟組織建模與仿真研究國內(nèi)外現(xiàn)狀

仿真模擬手術(shù)起初源于歐美發(fā)達(dá)國家，已歷經(jīng)了將近 20 年的不斷研究，不過在最開始 10 年里，因?yàn)槿狈?qiáng)勁嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)依據(jù)支撐使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行手術(shù)技能的訓(xùn)練，并在有效地把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于外科手術(shù)的技能培訓(xùn)中缺乏足夠的知識，所以該項技術(shù)的發(fā)展始終遲滯，在最近的十多年里手術(shù)仿真模擬訓(xùn)練才逐漸被醫(yī)學(xué)界廣泛運(yùn)用。目前，國內(nèi)外研究人員致力于開發(fā)具有高度逼真性的虛擬手術(shù)系統(tǒng)，2 軟組織建模與仿真研究國內(nèi)外現(xiàn)狀仿真模擬手術(shù)起初源于歐美發(fā)達(dá)國家，已歷經(jīng)了將近 20 年的不斷研究，不過在最開始 10 年里，因?yàn)槿狈?qiáng)勁嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)依據(jù)支撐使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行手術(shù)技能的訓(xùn)練，并在有效地把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于外科手術(shù)的技能培訓(xùn)中缺乏足夠的知識，所以該項技術(shù)的發(fā)展始終遲滯，在最近的十多年里手術(shù)仿真模擬訓(xùn)練才逐漸被醫(yī)學(xué)界廣泛運(yùn)用。目前，國內(nèi)外研究人員致力于開發(fā)具有高度逼真性的虛擬手術(shù)系統(tǒng)，

第二部分 基于 3DsMax 的軟組織器官幾何模型構(gòu)建............. 37

1 基于 3DsMax 的膀胱幾何模型構(gòu)建.................. 40 
2 基于 3DsMax 的肝臟及腎臟幾何模型建立 .................. 54 
3 小結(jié) ........................... 60
第三部分 基于 3DsMax 的軟組織器官仿真模擬及有效性驗(yàn)證................ 61
1 軟組織器官的物理模型構(gòu)建..... 61
2 基于 3DsMax 的膀胱尿液充盈形變模擬 .............. 69 
3 有效性驗(yàn)證.................... 71
總 結(jié) ......................... 78
1 本課題的主要工作................................ 78 
2 本課題的創(chuàng)新之處............. 79
3 下一步工作................ 79 

第三部分 基于 3DsMax 的軟組織器官仿真模擬及有效性驗(yàn)證

1 軟組織器官的物理模型構(gòu)建

這個特性是指對于軟組織器官，在一定的受力范圍情況下，其形變應(yīng)該是可逆的。但是，一旦超過了某個受力臨界值，其組織結(jié)構(gòu)也會遭到破壞，形變狀態(tài)將變得不可逆轉(zhuǎn)，即便是取消了施力，其組織結(jié)構(gòu)也將不會回復(fù)到受力前的狀態(tài)。如圖3.2 中，δ為壓力，ε為形變大小，在塑性材料的受力曲線圖中可以看到，1 號位置時，形變開始，從 2 號位置開始，虎克定律不再成立，3 號點(diǎn)是降伏強(qiáng)度點(diǎn)，在降伏強(qiáng)度之后的形變就為塑性形變。在 4 號點(diǎn)取消施力，則沿紅色虛線形變回彈，根據(jù)塑性型變的強(qiáng)度，其中 0.2%最終不可逆。如果繼續(xù)施力，則沿紅色曲線繼續(xù)變化。然而，對于人體內(nèi)的活體軟組織器官，例如肝臟，其有著獨(dú)一無二的自我修復(fù)性，經(jīng)過長時間的自我修復(fù)，最終也會回到最初的狀態(tài)，所以，軟組織器官的塑性回彈曲線應(yīng)該是類似藍(lán)色曲線勾勒的情況，其第二次形變的初始形態(tài)由形變施力的時間間隔決定。

2 基于 3DsMax 的膀胱尿液充盈形變模擬

構(gòu)建了膀胱的物理模型之后，3DsMax 就可以對膀胱在不同情況下的形變進(jìn)行仿真模擬了。在 reactor 動力學(xué)系統(tǒng)中，流體動力學(xué)是基于真實(shí)的物理算法生成的，可以直接建立并模擬液體的各種效果。將建立的液體模型與之前建立的非充盈情況下膀胱物理模型之間進(jìn)行網(wǎng)格約束，在液體體積逐漸增大的后，得到了四個不同充盈程度的膀胱模型。與本課題根據(jù)真實(shí)掃描的 MRI 影像數(shù)據(jù)建立的膀胱不同充盈程度的模型作如下對比（如圖 3.10-3.13）。

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總 結(jié)

1 本課題的主要工作

本課題對 3DsMax 在醫(yī)學(xué)仿真模擬領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了分析和研究提出了一系列利用 3DsMax 軟件對人體軟組織進(jìn)行模擬仿真、受力分析等可行性研究的思路、方法、步驟，對基于 3DsMax 的幾何模型重建的方法進(jìn)行了架構(gòu)，對物理模型重建的方法進(jìn)行了初步的嘗試。在這些基礎(chǔ)上進(jìn)行了膀胱模型三維仿真模擬。1）本課題在建立了基于 3DsMax 環(huán)境下研究探討人體軟組織幾何模型構(gòu)建方法之后，對人體三種不同類型的軟組織器官進(jìn)行了幾何模型的建立工作。分別對不同充盈狀態(tài)的 4 位志愿者的膀胱影像進(jìn)行了幾何模型重建工作。每個模型優(yōu)化前包含節(jié)點(diǎn)數(shù)均在 40 萬以上。在建立了幾何模型優(yōu)化方法之后對各幾何模型進(jìn)行了面數(shù)優(yōu)化，，令其節(jié)點(diǎn)數(shù)及面數(shù)分別控制在 5000 個節(jié)點(diǎn)及 8000 個面以內(nèi)，使得在保證模型結(jié)構(gòu)合理、仿真與實(shí)際組織精度滿足醫(yī)學(xué)要求的前提下，大大減少了系統(tǒng)的運(yùn)算量，保證了滿足視覺連續(xù)觀看的實(shí)時渲染精度和速度。

2 本課題的創(chuàng)新之處
1）本課題首次在 3DsMax 環(huán)境下對軟組織器官的仿真模擬進(jìn)行了嘗試。并且構(gòu)建了在 3DsMax 軟件中的基于影像的三維重建方法。包括幾何模型的重建方法，本課題都給予了實(shí)例以及探索思路，為醫(yī)學(xué)仿真模擬工作增加了新的嘗試方向。2）本課題首次將 3DsMax 的動力學(xué)系統(tǒng)引入醫(yī)學(xué)仿真模擬領(lǐng)域，將基于影像的軟組織三維幾何模型的物理模型在動力學(xué)系統(tǒng)中的定義方法進(jìn)行了理論構(gòu)建。嘗試使用該理論對膀胱進(jìn)行了充盈形變的模擬，并對其準(zhǔn)確性進(jìn)行了分析研判。經(jīng)過與實(shí)際模型進(jìn)行對比得出了誤差曲線，為使用其他軟件對軟組織器官進(jìn)行仿真模擬的研究者提供了新的思路。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：62431