基于3DsMAX的人体软组织器官建模与仿真研究

发布时间：2016-06-27 21:23

前 言

由于当代外科治疗对个体化、治疗的精确化以及创伤的最小化的不断追求，作为达成这些目的的重要支撑和保障的医学手术的仿真模拟技术，已成为计算机在辅助外科手术工作这个研究方向中的最大热点之一，例如微创介入手术(MinimallyInvasive Surger, MIS)以及一些复杂的开放手术一般都需要在手术前进行仿真模拟（如换脸、脑部、心脏等）。计算机科学的发展与传统医学的融合使得外科手术在近二十年中迈入了微创化时代，相比传统的手术方式，微创手术加快了病人的术后恢复，但不可否认的是仍然有很多的限制因素存在于微创手术自身，主要体现在医生获得的反馈信息有限，对手与眼睛的协调提出更大的要求，成像范围狭小并缺少立体感，这些客观条件都要求医生拥有更高的技术水平，必须通过长期的大量反复试验才能实现。同时，传统的训练方式由于材料的限制无法达到训练次数的要求，然而仿真模拟为重复多次的手术训练提供了可行性，所以对于手术的仿真模拟研究有重要的现实意义。除此以外，由于在所有外科手术的过程中，软组织都会因为外力而产生形变或位移，因此单纯依靠手术前计算机扫描得到的影像来确立的手术导航，必定存在一定的局限性，所以将软组织的仿真模拟运用在手术导航中则变得必不可少。

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文献回顾

1 手术仿真模拟发展综述

由于传统的断层成像技术提供的是人体及其内部器官某个断层的二维图像，医生们需要通过经验和想象推断出人体器官的三维结构，诊断的正确与否往往在很大程度上都要依赖医师的个人经验，因此三维可视化和基于影像的仿真模拟近年来在临床及基础医学中引起广泛关注。医学图像三维可视化的实现过程中最重要的一个环节就是三维重建，即把二维断层数据转化为三维几何数据的过程。三维重建通过对大量连续的断层二维图像进行边界识别等分割处理,再由计算机通过相应的算法进行自动检索来获取被扫描物体的拓扑信息与二维几何信息，从而构建出与真实相符的三维模型,从而真实地还原出所检测物体的三维影像，提供传统成像技术无法获得的空间解剖结构信息,清晰地表现出人体组织器官的轮廓以及每个器官之间的解剖关系,更好地描述复杂结构的完整形态[9]。伴随着计算机技术的井喷式发展，医学图像的三维可视化已经不仅限于原先的辅助诊断，如今更是已经发展成为用以辅助临床医学治疗过程的主要手段。国内外学者高度重视三维重建技术并进行大量研究，使得三维可视化广泛应用到医学的多个领域.

2 软组织建模与仿真研究国内外现状

仿真模拟手术起初源于欧美发达国家，已历经了将近 20 年的不断研究，不过在最开始 10 年里，因为缺乏强劲严谨的科学依据支撑使用虚拟现实技术进行手术技能的训练，并在有效地把虚拟现实技术运用于外科手术的技能培训中缺乏足够的知识，所以该项技术的发展始终迟滞，在最近的十多年里手术仿真模拟训练才逐渐被医学界广泛运用。目前，国内外研究人员致力于开发具有高度逼真性的虚拟手术系统，2 软组织建模与仿真研究国内外现状仿真模拟手术起初源于欧美发达国家，已历经了将近 20 年的不断研究，不过在最开始 10 年里，因为缺乏强劲严谨的科学依据支撑使用虚拟现实技术进行手术技能的训练，并在有效地把虚拟现实技术运用于外科手术的技能培训中缺乏足够的知识，所以该项技术的发展始终迟滞，在最近的十多年里手术仿真模拟训练才逐渐被医学界广泛运用。目前，国内外研究人员致力于开发具有高度逼真性的虚拟手术系统，

第二部分 基于 3DsMax 的软组织器官几何模型构建............. 37

1 基于 3DsMax 的膀胱几何模型构建.................. 40 
2 基于 3DsMax 的肝脏及肾脏几何模型建立 .................. 54 
3 小结 ........................... 60
第三部分 基于 3DsMax 的软组织器官仿真模拟及有效性验证................ 61
1 软组织器官的物理模型构建..... 61
2 基于 3DsMax 的膀胱尿液充盈形变模拟 .............. 69 
3 有效性验证.................... 71
总 结 ......................... 78
1 本课题的主要工作................................ 78 
2 本课题的创新之处............. 79
3 下一步工作................ 79 

第三部分 基于 3DsMax 的软组织器官仿真模拟及有效性验证

1 软组织器官的物理模型构建

这个特性是指对于软组织器官，在一定的受力范围情况下，其形变应该是可逆的。但是，一旦超过了某个受力临界值，其组织结构也会遭到破坏，形变状态将变得不可逆转，即便是取消了施力，其组织结构也将不会回复到受力前的状态。如图3.2 中，δ为压力，ε为形变大小，在塑性材料的受力曲线图中可以看到，1 号位置时，形变开始，从 2 号位置开始，虎克定律不再成立，3 号点是降伏强度点，在降伏强度之后的形变就为塑性形变。在 4 号点取消施力，则沿红色虚线形变回弹，根据塑性型变的强度，其中 0.2%最终不可逆。如果继续施力，则沿红色曲线继续变化。然而，对于人体内的活体软组织器官，例如肝脏，其有着独一无二的自我修复性，经过长时间的自我修复，最终也会回到最初的状态，所以，软组织器官的塑性回弹曲线应该是类似蓝色曲线勾勒的情况，其第二次形变的初始形态由形变施力的时间间隔决定。

2 基于 3DsMax 的膀胱尿液充盈形变模拟

构建了膀胱的物理模型之后，3DsMax 就可以对膀胱在不同情况下的形变进行仿真模拟了。在 reactor 动力学系统中，流体动力学是基于真实的物理算法生成的，可以直接建立并模拟液体的各种效果。将建立的液体模型与之前建立的非充盈情况下膀胱物理模型之间进行网格约束，在液体体积逐渐增大的后，得到了四个不同充盈程度的膀胱模型。与本课题根据真实扫描的 MRI 影像数据建立的膀胱不同充盈程度的模型作如下对比（如图 3.10-3.13）。

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总 结

1 本课题的主要工作

本课题对 3DsMax 在医学仿真模拟领域的应用进行了分析和研究提出了一系列利用 3DsMax 软件对人体软组织进行模拟仿真、受力分析等可行性研究的思路、方法、步骤，对基于 3DsMax 的几何模型重建的方法进行了架构，对物理模型重建的方法进行了初步的尝试。在这些基础上进行了膀胱模型三维仿真模拟。1）本课题在建立了基于 3DsMax 环境下研究探讨人体软组织几何模型构建方法之后，对人体三种不同类型的软组织器官进行了几何模型的建立工作。分别对不同充盈状态的 4 位志愿者的膀胱影像进行了几何模型重建工作。每个模型优化前包含节点数均在 40 万以上。在建立了几何模型优化方法之后对各几何模型进行了面数优化，，令其节点数及面数分别控制在 5000 个节点及 8000 个面以内，使得在保证模型结构合理、仿真与实际组织精度满足医学要求的前提下，大大减少了系统的运算量，保证了满足视觉连续观看的实时渲染精度和速度。

2 本课题的创新之处
1）本课题首次在 3DsMax 环境下对软组织器官的仿真模拟进行了尝试。并且构建了在 3DsMax 软件中的基于影像的三维重建方法。包括几何模型的重建方法，本课题都给予了实例以及探索思路，为医学仿真模拟工作增加了新的尝试方向。2）本课题首次将 3DsMax 的动力学系统引入医学仿真模拟领域，将基于影像的软组织三维几何模型的物理模型在动力学系统中的定义方法进行了理论构建。尝试使用该理论对膀胱进行了充盈形变的模拟，并对其准确性进行了分析研判。经过与实际模型进行对比得出了误差曲线，为使用其他软件对软组织器官进行仿真模拟的研究者提供了新的思路。

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参考文献（略）

本文编号：62431