虚拟手术仿真系统中软组织切割模型研究

发布时间：2020-10-13 17:10

　　 与传统的外科医生培训方法相比,在虚拟现实(Virtual Reality,VR)基础上发展起来的虚拟手术仿真系统(Virtual Surgery Simulating System,VSSS)具有成本低、效率高、可重复练习、不受时空和伦理道德约束等优点,正成为医疗领域的研究热点和前沿课题。虚拟手术仿真系统借助计算机技术在虚拟环境中建立一个与现实世界相同的逼真手术场景,让用户通过力反馈设备与虚拟的组织器官进行交互,完成触诊、切割、撕裂、抽吸等手术操作训练,从而快速、有效地提高实习医生、新晋医生等低年资医生的外科手术技能。同时,也可以作为辅助手段优化手术方案、进行术中导航。虚拟手术仿真是虚拟现实技术在医学领域的扩展和延伸,为医生培训、手术导航、远程医疗开辟了一个全新的领域。切割作为实际手术中使用频率最高、最普遍的手术操作,对其进行“无失真”模拟是虚拟手术仿真系统不可缺少的重要组成部分。由于软组织具有非线性、粘弹性、不可压缩性和各项异性等多种复杂的材料特性,软组织的切割模拟仿真一直是该领域的难题。实际手术中医生主要根据软组织在受到手术刀具作用时所反馈的视觉和触觉信息进行调整,完成切割操作。因此,本文从提高系统的视觉反馈和触觉反馈效果出发,以让用户体验到如同真实手术般逼真的切割过程为目标,展开深入地研究,主要完成了以下研究工作:以医学上常用的二维CT图像为数据源,重构了同时包含表面网格和内部点云的软组织三维体模型。首先,以CT图像为基础,运用Mimics医用软件构建人体软组织三维表面模型。这个过程实现了从二维灰度图像到三维立体模型的转换;然后,从人体软组织的三维表面模型出发,运用Morphing连续形变技术对三维表面模型进行体素化,从而得到包含内部点云的人体软组织体模型。与有限元剖分算法相比,本文所述基于Morphing的建模方法在插值时采用的是Hermite插值,这种插值方法是一种非线性的插值方法,可以更好地拟合软组织的几何外形,精度更高。点元在空间的分布更为均匀,而不是沿着某个方向均匀分布,更加符合组织的分布特点。同时,可根据模型的精度要求,设置相应的插值步长,从而获得合适的三维体模型。针对基于网格的软组织切割模型在进行单元网格剖分预处理时工作量大,对于像软组织这样的复杂三维物体难以建立良好的网格结构,且切割过程容易造成系统不稳定的问题。以及在无网格框架下建立的软组织切割模型计算量大,位移(本质)边界条件难以施加,切口绘制困难等缺陷。本文提出了一种基于网格和无网格的混合切割模型。具体地,采用贝塞尔曲线绘制的表面切口光滑,与真实的手术切口吻合一致;基于位移矢量梯度的内部点元形变模型可以较好地表现组织内部在手术刀具作用下的形态变化。首次提出的虚拟点概念,将两个相互独立的表面网格模型和内部无网格模型无缝的耦合成为一体,进一步提高了视觉反馈的逼真度。同时,利用表面网格边界插值得到的虚拟点元可以作为内部点元的边界条件,解决了无网格方法位移边界条件难以施加的问题。在计算内部点元的位移时,借助水平集的方法,将软组织的整个点云模型分为切割影响区和非影响区。对位于切割影响区内的点元运用基于位移矢量梯度的方法计算其在手术刀具作用下的位移,而处于非影响区内的点元则不做计算,这样有效地提高了模型的计算速度。针对当前许多软组织切割模型在模拟切割过程时未考虑组织被切开前的形变过程,本文将软组织的整个切割过程分为被切开前的形变,切开,切开后的形变三个过程。为了提高模型的精度和更全面地描述软组织的材料特性,非线性粘弹性被引入到本文所述模型中。分析了软组织被刀具切割时的受力情况及影响切割力的因素。从作用力与反作用力的基本原理出发,分析了切割反馈力的渲染效果,建立了包含切割速度和切割角度的反馈力计算模型。通过真实的软组织切割试验证明了该模型的准确性和有效性。针对力反馈设备后驱性低、系统摩擦大、系统刚度低,产生的噪声容易淹没真实反馈力的问题,本文提出了一种有源补偿和无源补偿相结合的方法对现有的力反馈设备进行重力补偿。采用弹簧对力反馈设备进行重力补偿;对于剩余重力则采用有源重力补偿。这样不但不会削弱力反馈设备所能够提供给操作者的净反馈力,而且控制电机也无需采用复杂的控制算法。可以在几乎不增加系统力反馈设备系统总体惯量的前提下尽可能地对力反馈设备进行完全重力补偿。对比补偿前后所采集的力反馈信号可以看出,未进行重力补偿时所获取的反馈切割力被淹没在力反馈设备的噪声中;补偿后的反馈力与模型计算的反馈力更加吻合,误差较小。最后,本文设计了一个具有高沉浸感和交互性的通用虚拟手术仿真平台。该平台可以根据用户的不同身高和操作习惯自适应地调节位姿,使用户在进行手术训练时更加舒适。同时,该平台具有很好的扩展性,可以根据不同的手术类型配置不同的力反馈设备和虚拟手术软件系统。
【学位单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R61;TP391.9
【部分图文】：

图 1.1 习近平主席观看虚拟手术仿真系统课题研究意义有力反馈的手术仿真系统是计算机虚拟现实在现代医学上的一个拟手术仿真系统是指利用力反馈设备（手术器械连接在力反馈设备立的虚拟组织模型上进行按压、切割、灼烧、撕裂、抽吸等操作，进行实时地交互，从而让操作者感受到如同真实手术般的交互体验[

图 1.2 可视人计划建立的男、女人体组织切片图形[19-20]美国斯坦福大学 Delp 领导的科研团队在虚拟手术仿真领域做了许多开创性的工作。Delp 等人研制的小腿跟腱移植虚拟手术被公认为世界上第一个虚拟手术仿真系统，如图 1.3 所示[21]。该系统结构较为简单，仅仅只能通过显示设备观察和了解腿部跟腱移植的手术过程，不能与虚拟环境进行交互，缺少触觉反馈。而且重构的骨骼肌采用的是几何模型，逼真度不高。随后，为了提高虚拟手术仿真系统的精度和逼真性，Delp 等人在 Visible Human 数据集的基础上构建

图 1.3 腿部虚拟手术仿真系统[22]直到 1998 年，法国国家信息和自动化研究所（INRIA）Cotin 等人开发的腹部虚拟手术仿真系统才将触觉加入到系统中，使得操作者可以使用力反馈设备与虚拟组织进行交互，并根据不同的手术器械和操作类型计算软组织在受到外部力作用下的形变。同时，将操作过程中产生的力反馈给操作者。该系统功能完备，交互性较强[23]。随后，Cotin 等人率先开发成功了基于有限元物理形变模型的虚拟肝脏切割手术系统[24]。系统的软组织模型与力反馈设备相结合能够达
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本文编号：2839442