具有力反馈的耳显微外科虚拟手术研发

发布时间：2020-07-24 18:38

【摘要】：虚拟手术是外科手术的重要手段,也是虚拟现实的主要应用领域之一。本文将虚拟手术技术运用到耳显微外科手术中,帮助手术医生进行术前手术规划和模拟训练。一款满足教学指导与模拟训练作用的耳显微外科虚拟手术系统,不单要完成手术进程的充分模拟,而且要保证手术过程中手术操作者与模型之间的交互性,本文从以下角度对研发的耳显微外科虚拟手术系统进行阐述:论文对通过CT、MRI断层扫描并采用面绘制技术获得的耳部模型进行了优化。为更好地呈现虚拟手术过程的画面效果,通过编写强制双面显示的脚本实现背面消影以及利用索引改变耳部模型对应组织结构的RGBA值实现半透明化显示功能。论文通过对传统的碰撞检测算法进行剖析,提出通过结合AABB包围盒、包围球、OBB包围盒的混合多层次包围盒树算法来进行碰撞检测,并采用自顶向下的检索方式,有效降低时间复杂度和更新次数,保证手术交互操作的实时性与精确性。论文优化了传统的弹簧-质点模型,使用新的拓扑结构,提出运用支撑骨架球弹簧模型进行软组织形变,在保持模型特征的同时具备良好的实时性与真实感,进一步提高虚拟手术交互过程中的沉浸感。在力反馈模块,论文提出由各层形变的区域面积变化与胡克定律相结合的一种新的力反馈算法实现,并由力反馈设备Falcon进行传递。此力反馈算法降低了计算复杂度,满足系统的实时性要求,而且力反馈设备的引入增加了虚拟手术的交互性和逼真度。论文研发的耳显微外科虚拟手术系统包含电子耳蜗植入术与人工镫骨手术,对其中关键的、具有代表性的手术操作流程进行虚拟手术模拟。该系统具有高实时性、趣味性、强鲁棒性的特点,满足手术医生进行术前指导和模拟训练作用。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.9;R764.9
【图文】：

虚拟手术仿真,外科,腿部,交互操作

上海交通大学硕士学位论文助下，成功获得全球第一例女性人体切片数据[16]。直至 1995 年，因 Levy 在虚拟手术仿真系统中加入了力反馈设备，才第一次让手术医生真正进行具有代表性的交互虚拟手术操作。1997 年，美国 Delp 研究团队基于 Visual Human 数据集研发出一套腿部外科虚拟手术系统[15]，如图 1-1 所示。此虚拟手术系统对组织的切割、流血、止血、形变等操作过程进行了模拟，由于研发过程中受到解剖学知识欠缺、计算机低性能的图形处理能力、力反馈设备及算法的匮乏等限制，此虚拟手术系统虽然存在诸多问题，但标志着虚拟手术系统的可行性与可发展性[17]。

虚拟手术,血管,增强现实

图 1-2 Stanford 大学的血管及神经缝合虚拟手术系统Fig.1-2 Vascular and nerve suture virtual surgery system of Stanford University美国Washington大学的Berkley J研究团队研发出一套基于有限元凝聚法的手术缝合操作增强现实系统，该系统利用立体显示设备和增强现实算法，有效增强了手术过程中的沉浸感，如图 1-3 所示。此增强现实系统利用线性有限元对形变组织结构进行几何建模，降低了计算复杂度，在保持较高精度的同时还具备多点交互与边界可调等功能。但该系统的缺陷是不能对网格进行实时地更新，在组织形变、切割缝合等手术过程中存在局限性[19]。图 1-3 Washington 大学的手术缝合操作增强现实系统

增强现实,研究团队,虚拟手术,组织形

【参考文献】