1、基于VR的虚拟手术仿真z浙江大学CAD&CG国家重点实验室1手术仿真系统z虚拟现实技术的飞速发展和广阔应用前景z虚拟现实系统技术在现代医学中的应用z内窥镜手术等先进外科手术方式的出现z应用：手术培训，手术计划，手术治疗z研究内容：y医学数据的交互与可视化y组织变形的模拟y感官反馈的模拟2Satava的三代医学仿真系统框架 z第一代医学仿真系统：着重于表现人体几何特性z第二代医学仿真系统：加入人体作为生物体的物理特性z第三代医学仿真系统：考虑人体各器官的功能本质 3系统功能模块图系统功能模块图 4几何模型重建5层次四面体模型生成z三角片表面几何重构（最短对角线法）z断层间层次四面体重构（以一定的
2、规则遍历）6体模型简化算法体模型简化算法z四面体网格是一种普遍的体模型表示方法。z大量的四面体数据使得数据存储、体绘制、有限元计算、实时处理等变得困难。z提出了直接针对四面体体数据进行简化的新算法。7简化算法思想z采用点删除法简化边界面，保持边界特性。VrV1V2V3V4V5V6Layer(n-1)Layer(n+1)Layer(n)V00V01V02V10V11M0iM1iM0jM1jz构造六面体网格替代内部四面体。z用四面体填充边界面和六面体网格面连接处的空洞。8简化算法优点z是一种体数据的简化算法；z保持模型的边界特性，简化效果好；z允许用户定义简化程度，能建立多分辨率模型体数据；z实现
3、简单。9体模型简化结果组成模型四面体数：a:16104 b:7302 c:2671 d:1227 e:714 f:17910虚拟手术中的碰撞检测z碰撞检测贯穿于手术仿真的整个过程y手术器械与人体组织之间的精确快速的碰撞检测是计算软组织变形和分裂的先决条件 y根据碰撞检测的结果，才能准确地计算模型的变形。z虚拟手术中的碰撞检测：刚体与软体的碰撞检测11碰撞检测算法z提出了一种基于固定方向凸包包围盒层次的碰撞检测方法 z提出了用以解决包围盒间相交测试的快速区间测试法 z提出了一种基于线性规划的旋转后包围盒的快速计算方法以及一种自底向上的对象变形后包围盒树的快速更新算法 12碰撞检测算法比较13手术
4、仿真中的软组织切割z两种不同的切割处理策略：去除法切割法去除某些切割到的基元，并改变相关的局部，全局参数将切割到的基元分裂成若干个小基元方法描述优点缺点实现简单，减少基元数目有可信的切割边界切割边界走样（锯齿状）产生很多小基元，系统负担加剧，需对模型重新生成14切割判据z切割条件y虚拟器械与软组织接触y应力超过屈服条件发生切割不发生切割 SBSMSBSM接触点受到的应力大小切割器械的锋利程度极限组织将要断裂时的应力 S BSMz切割公式15四面体切割z虚拟器械的运动轨迹y平面四边形z四边形与四面体求交y四面体与平面求交y裁剪切割多边形16四面体的分割z交点分类y点交点y线交点y面交点y体交点y
5、点交点判断点是否需要分裂y线交点一分为二y面交点一分为三y体交点一分为四17粘弹性模型几点假设：z瞬时应变弹性 z应变和位移呈线性关系 z应变由弹性和蠕变两部分组成 z蠕变应变率是应力和应变的函数 1DeuBcecccdtd,18粘弹性模型的系统方程：0STVTdSufdV由虚功原理得到的系统平衡方程：ViiTiiVTdVtDBfuBdVDB00010引入粘弹性物理模型得到：V为整个粘弹性体域，S为力边界19有限元计算模型z连续的求解区域离散化，连续的无限自由度问题转化为离散的有限自由度问题y单元分析阶段单元分析阶段 单元矩阵计算（刚度、质量、载荷）y整体组合阶段整体组合阶段 单元矩阵到整体矩阵的组合 y约束处理约束处理 加入各节点的约束完成系统方程组 y方程求解方程求解 求解系统方程组 y应力应变计算应力应变计算 各单元的应变、应力计算20立体纹理映射21实验结果（一）22实验结果（二）23实验结果（三）24今后的研究重点：z并行处理z模型优化z切割后模型简化z真实感绘制25!26
