虚拟肝脏重建与形变切割仿真

针对肝脏虚拟手术仿真对仿真场景逼真性、形变和切割仿真实时性的要求,提出虚拟体包络技术、基于解剖结构的边界条件设置以及双体素网格3种创新方法,根据肝脏的解剖结构重建肝脏仿真模型。对于肝脏模型外以面模型形式存在的管道模型,将其镶嵌在虚拟包络体模型中以实现形变和切割仿真。通过对肝脏表面解剖结构的分析,以及对肝脏约束形式进行合理简化,在肝脏韧带结构上设置边界限制标志。双体素网格方法在两层尺度不同的体素网格上重建肝脏仿真模型：原始模型表面在精细体素网格中重建,而切割面则在粗糙体素网格中构造,以此减少形变和切割仿真的计算量。仿真结果表明所用方法能在保持肝脏形变和切割仿真的真实感前提下提高仿真的运行速度。     

基于无网格的软组织切割模型的研究进展

具备支持实时交互能力的软组织切割模型对于虚拟手术仿真系统具有至关重要的意义。传统的软组织切割模型多基于网格建立,将软组织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,并在此基础上建立和求解生物力学方程以描述切割过程。由于网格切割计算代价高且软组织切割过程中涉及到复杂的生物力学问题,很难实现实时交互,严重影响了虚拟手术仿真效果。与此相反,基于无网格的软组织切割模型打破了网格限制,在触觉/视觉逼真度和实时性方面都具有很大优势。文中从力反馈和视觉反馈的渲染质量和速度等方面,就基于无网格的软组织切割模型的研究现状进行了概述,对存在的问题进行了分析和总结,并对未来的发展方向进行展望。     

虚拟手术训练系统中软组织切割模型的研究进展

虚拟手术仿真训练系统(VSSTS)较好地解决了传统临床医生培训方法中存在的培训周期长、成本高和训练对象匮乏等方面的问题,是一种经济有效的替代训练方式。人体软组织切割作为各类实际手术中最为常见和核心的手术操作类型,对其进行逼真的模拟一直是虚拟手术仿真系统研究中的难点和热点问题。在简要介绍软组织切割模型发展历程后,分别从基于网格和无网格两大建模体系对目前已提出的多种软组织切割模型进行介绍,分析并总结各种建模方法的优缺点及其在各类虚拟手术仿真系统中的具体应用实例。除此之外,针对近年来新提出的混合模型进行分析,并从仿真效果与计算速度角度对未来的发展方向进行展望。     

基于GPU的医学图像快速体切割算法

目的:在体绘制过程中,有许多重要的、医生感兴趣的细节信息隐藏在数据场内部,在进行显示时,这部分信息很容易被其他组织或器官遮挡,无法显示在重建图像中,为了给医生提供全面、直观和准确的诊断信息,本文提出了一种基于GPU加速的体切割算法。方法:通过将切割算法和基于GPU的光线投射算法结合,实现体数据的快速切割。本文在基于GPU加速的医学图像快速体绘制的基础上,将剖面的空间信息传入着色器,然后通过比较体数据的空间坐标与剖面位置的关系来决定体数据的取舍。该方法不同于以往基于深度模板信息的体切割,在定义好切割平面后,可从任意角度对保留下来的有效体数据的重建结果进行观察。结果:该方法能够精确地按照用户定义的形状对体数据进行切割,并且由于使用了硬件的加速功能,该方法可以达到实时交互的速度。结论:该方法能够满足医学影像可视化的实时交互要求,在手术模拟等临床技术中有广泛应用。     

医学断层图象的立体切割算法

采用计算机图形学和图象处理技术对图像三维信息的提取和三维显示可以帮助医务人员模拟治疗和技术过程，提高医疗诊断的准确性和科学性。立体图像切割作为三维图象显示的一种有用的方式，可以提供剖面信息，便于诊断。我们提出了一种在断层图象与剖面相交后的轮廓计算以及剖面图象插值的方法，结果表明，可以得到很好的切割效果。     

基于改进弹簧-质点模型的形变建模及力反馈算法研究

基于弹簧-质点模型的基础上提出一种新的可变菱形拓扑结构模型,通过改变菱形边弹簧的长度及弹簧系数、初始夹角,可实现该模型对不同器官的形变模拟。此外在模型中加入虚拟弹簧提供约束力,避免外力过大出现超弹性现象,并用于形变过程中反馈力的计算。在力反馈形变算法中,筛选有效的移动质点,并把这些移动质点形成区域面积的改变与作用力联系起来,计算量小,从而简化了传统的弹簧-质点模型的力反馈算法。基于此模型采用PHANTOM触觉交互设备进行受力形变模拟实验。实验结果表明,该模型结构简单易于实现,采用的力反馈形变算法,降低了形变计算的次数,提高了形变的实时性,具有更逼真的形变效果。     

医学断层图象的立体切割算法

采用计算机图形学和图象处理技术对图象三维信息的提取和三维显示可以帮助医务人员模拟治疗和手术过程 ,提高医疗诊断的准确性和科学性。立体图象切割作为三维图象显示的一种有用的方式 ,可以提供剖面信息 ,便于诊断。我们提出了一种在断层图象与剖面相交后的轮廓计算以及剖面图象插值的方法 ,结果表明 ,可以得到很好的切割效果     

基于硬件加速体绘制的切割方法

本研究在可编程图形硬件加速体绘制的基础上,提出了一种三维切割方法:将体数据的蒙板作为切割纹理,通过三维纹理渲染,实现物体的切除与恢复。实验表明,该方法可实现质量较高、交互速度较好的切割操作,在临床中有一定实用价值。     

虚拟手术中软组织形变建模及力反馈算法研究

基于弹簧-质点模型,建立一种改进的软组织实时形变模型.在正六边形拓扑结构软组织表面模型中,增加了虚拟体弹簧,以实现更加真实的形变效果.在系统中各质点处,表面弹簧形变量的叠加等效为物体表面形变,各质点处虚拟弹簧弹性力的合力等效为物体表面的接触力.该模型继承了经典弹簧质点模型的原理简单、易建模、计算速度快等优点,同时还具有控制变形区域的能力.基于此模型,利用PHANTOM触觉交互设备,进行了软组织形变以及实时虚拟力反馈仿真实验.实验表明,该模型效果逼真,反馈力刷新一次小于l ms,能够满足虚拟手术系统实时性的要求.     

组织等量面切割显示新算法

现有的组织等量的切割显示方法,在数据量较大时,需要大量的计算时间,不利于实时交互,本文提出了一种新的组织等量面切割显示算法,新算法通过采用区域划分和增量计算等技术,大大加速了组织等量面的切割显示速度,尤其是在数据量很大的情形下,新算法更利于适时交互。