虚拟手术仿真中基于无网格的软组织切割模型的研究

基于网格的软组织切割模型，将切割过程建模为手术刀具与软组织几何模型之间的网格切割计算。因网格切割计算代价高，这类软组织切割模型实时交互能力不强，严重影响虚拟手术仿真效果。本项目拟打破网格限制，通过以下步骤实现基于无网格软组织切割模型。首先，在无网格计算框架中引入连续介质理论增强模型描述软组织各种特殊材料性质的能力，提高触觉逼真度。为进一步增强力反馈效果，基于物理切割实验数据校验切割模型参数；其次，通过边界点预提取和实时确定技术、点云纹理映射技术、基于图像和点混合渲染等技术进一步提高基于点渲染算法的质量和速度，提高视觉逼真度；再次，研究软硬件相结合算法提高模型计算效率；最后，依托南昌大学虚拟触觉技术和生物医学工程研究实验室，将理论成果应用到虚拟手术仿真演示系统中。基于无网格的软组织切割模型, 在触觉/视觉逼真度和实时性方面都具有很大优势，项目的研究将进一步完善无网格软组织切割模型的理论体系。

虚拟手术仿真是虚拟现实技术在医疗领域的重要应用，它在医疗培训方面越来越占有重要的地位。软组织切割作为手术过程中最为常见、使用频率最高的操作，对其进行逼真地模拟(提供视觉和触觉两方面的实时交互)具有重要的意义，是虚拟手术仿真中核心的研究内容之一。本项目以在点云条件下软组织空间内任意一点应变张量的描述和计算问题为突破口，进而利用之前积累的关于连续介质理论成果，着力将连续介质理论引入到无网格的计算框架下。为保证所建模型的计算效率能够满足实时交互性的要求，针对手术中的操作特点，在虚拟手术仿真系统中对人体不同区域(手术和非手术区域)分别采用网格和无网格方法进行建模(混合建模),实现了软组织的切割的实时交互(力反馈达到500Hz刷新率以上，视觉刷新率达到25Fps以上)，在充分利用了两种建模方法的优势同时避免了各自的缺点。除此之外，通过点云纹理映射技术和对比度自动增强技术改进了点云渲染算法。实现了可进行软组织切割仿真的原型系统。通过本项目的研究，对如何将连续介质理论引入到无网格计算框架下提出了一条可行的解决方案,从软组织切割过程的形变(视觉)和力反馈(触觉)两个宏观角度较好地解决了软组织切割的建模问题。