虚拟手术中病变器官的生理特性的表现方法研究

This issue aims to study the performance of the diseased organs'Physiological characteristics in the virtual surgery system. Besides, it contain the task of model construction based on the diseased organs' medical image., the expression of diseased human texture, the deformation of diseased organs during the virtual surgery, theInteraction with the diseased organs in virtual surgery. And at last apply the achievement to the Virtual arthroscopic knee surgery.This paper put up with an idea of the combination of large-scale geometric deformation and subtle folds deformation with a dimension of time to describe the deformation of diseased organs. Then give a method of model building,the diseased organ model with realism is constructedbased on the Illness texture with physiologicalinformation. It can reflect the geometry, textures and physiological conditions of lesion. However, we must take full account of physiological characteristics in the surgery, And interact with control in the training of virtual surgery. Be sure that the Surgical rehearsal is much more targeted. The goal is to design a virtual interactive system of arthroscopic knee surgery with force feedback due to the research. The system has the features of 3D visualization ,Interoperate,Tactile feedback and force feedback . The system can give a accurate geometric description for diseased organs , display with realism, interact with Multi-perception. The followings are expected results: numbers of property patents and software with independent intellectual which can be used to teaching , research and clinical training.

课题重点研究病变器官在虚拟手术中的生理特性的表现方法，包括基于医学图像的病变器官的建模、病症纹理的表达、病变器官在手术过程中的形变以及虚拟手术中与病变器官的交互等内容，并将研究结果应用于虚拟膝关节镜手术，进行实验。课题的创新点在于提出用大尺度几何形变和细微皱褶形变结合的方式，加入时间维度，描述病变器官的几何变形;提出一种以病症纹理为特征的具有生理信息的病变器官真实感模型的建模方法，能够反映病变部位的几何、纹理以及生理情况; 提出虚拟手术中的行为应充分考虑病变器官的生理特性，在虚拟手术训练中有控制地进行交互，使手术预演更有针对性。基于本课题的研究成果，设计了带有力反馈的虚拟膝关节镜手术交互系统，具有三维可视化、交互操作、触觉反馈和力反馈特征。研究成果能够对病变器官进行准确的几何描述、真实感显示，以及多感知的交互，预期成果包含多项具有自主知识产权的专利和软件，可广泛应用于教学、科研和手术训练。

基于虚拟现实技术的手术训练能够有效填补传统手术训练的不足，病变器官的表达是虚拟手术中的关键技术。本项目以膝关节镜手术为对象，研究了从病变器官高精度建模到手术训练中的交互方法，并设计了一种六自由度力反馈装置，该装置运用机器人技术，自动控制原理，能够满足手术器械操作的沉浸感。由此，形成了软硬件结合的虚拟膝关节镜手术训练的解决方法。.在虚拟手术中，对于发生了病变的器官或组织的模型，要求高精度，高真实。因此项目研究中的病变器官，是由CT、 MRI等医学图像作为数据源，经过图像预处理、边缘轮廓提取、三维重建等步骤，建立其物理模型及计算模型，并建立了病变器官模型库，为诊断、术前规划、虚拟手术训练等提供基础。.对病变器官采用了多模型表示法，即同一器官有多种不同细节的几何与物理模型表示。针对虚拟环境中视觉渲染、碰撞检测及形变计算等不同场景，为虚拟对象分别建立视觉模型、碰撞模型及行为模型，以满足不同仿真任务下的最佳模型表示的需要。.提出一种提取三角网格模型特征轮廓曲线的局部采样追踪算法，该算法适用于局部轮廓曲线的提取以及全局特征轮廓曲线的提取，能够在手术路径规划过程中，保证手术器械避开敏感组织，减少不必要的医源性损伤。.通过建立膝关节有限元模型，我们对病灶部位做了形态变化分析的研究，并提出了一种接触力的算法。该算法通过建立可变形的粒子系统模型，分析力学中的单面约束，并使用拉格朗日乘数法和高斯-赛德尔方法求解接触力。通过所设计的带力反馈的膝关节镜手术训练装置，能够感觉到手术训练中的力的信息，且在试用后，得到了合作单位医生的肯定。.项目成果包含多项自主知识产权，已完成预期目标，对于虚拟手术的发展有促进作用。