一种胆道虚拟手术仿真系统*

设计了一种用于外科医生仿真训练的具有实时力反馈的胆道虚拟手术仿真系统。主要讨论了本系统的结构设计、三维重建、碰撞检测、软组织的弹性变形和力反馈等方面的技术实现。通过对胆囊取石手术进行仿真模拟,分析该系统的应用情况和性能指标。实验结果表明,该系统能有效地进行胆道手术仿真训练,提供的力反馈功能具有较好的稳定性和实时性。     

虚拟手术仿真中人体软组织形变技术的研究

对虚拟手术仿真中人体软组织形变技术进行深入研究,利用OpenGL三维图形标准建立了基于质点-弹簧物理模型的虚拟人体软组织形变系统。围绕虚拟手术仿真中人体软组织形变的逼真度和实时性两大要素展开研究,通过对比四边形网格结构提出了改进的基于质点-弹簧模型的正六边形几何拓扑结构,并对软组织形变动力学模型及其数值积分算法、软组织形变力反馈计算模型进行了讨论,针对以往的虚拟手术器械与软组织表面接触时作用点的最近邻质点求取算法存在的不足,提出了改进的求取算法。实验结果表明,改进的算法在模拟软组织形变时具有较好的稳定性和实时性。     

虚拟手术中表面网格模型的力反馈算法与仿真

提出一个带力反馈的虚拟腹部外科手术系统,并重点研究及实现了基于表面网格模型的力反馈算法。为了提高系统的稳定性,使用基于线段与表面三角网格的碰撞检测方法;基于四阶Runge-Kutta方法的表面网格mass-spring模型进行变形仿真;基于力的广度优先传播来解决变形仿真的局部性。通过仿真实验验证了该原型系统可以实现与可变形的三维模型的实时力觉交互。最后,把该方法应用到虚拟腹部外科手术系统中,并实现带力反馈的手术仿真操作。     

一种鼻内窥镜虚拟手术仿真系统

介绍了一种用于耳鼻咽喉科医生手术仿真训练的鼻内窥镜虚拟手术仿真系统。主要讨论了本系统的结构设计、三维重建、碰撞检测、软组织弹性形变和力反馈等方面的技术实现，并对系统的多种浏览模式、虚拟器械和仿真的4类手术作了简要介绍。     

基于非线性力反馈模型的软组织变形仿真

虚拟手术仿真研究中反馈力一般采用线性模型,但软组织的反馈力往往呈现出非线性的特点.通过对软组织生物力学特性的分析,将非线性性质应用到软组织力反馈模型的研究.在保持原线性反馈力方向不变的前提下,加入非线性扰动,建立了反馈力的非线性模型,从而使反馈力更加真实.首先构建了人体肝脏物理模型,然后给出了非线性力反馈模型方程,并对人体肝脏物理模型变形和反馈力进行了仿真.为了减小计算量采用了整体刚度矩阵缩减算法.仿真结果表明该模型有较好的非线性和可调节性.     

基于模型约简和GPU加速的软组织实时仿真

为了得到虚拟外科手术中人体软组织的实时变形仿真,采用了基于模态分析的模型约简方法,同时结合了GPU加速技术,实现了人体软组织的实时仿真计算,为虚拟手术提供了良好的人机交互.模型约简以有限元理论为基础,将软组织模型的动力学方程投射到约筒子空间,减少系统自由度.在实时仿真过程中,首先需在子空间中对低维动力学模型进行数值计算,然后利用GPU通用计算技术来加速重建原始空间中的形变向量.以心脏大变形实时仿真为例,验证方法的性能,实验结果表明心脏的变形仿真可以在很高的刷新率下运行.提出的模型约简和GPU加速方法,为人体软组织的变形实现了实时仿真,为虚拟手术提供了理论基础和技术支撑.     

基于力反馈技术的毛笔笔道仿真

本文将力反馈技术引入虚拟绘制过程,提出一种基于力反馈技术的笔道仿真方法.首先通过分析力对毛笔变形的影响机理,采用弹簧-振子模型构建了一种新的毛笔力反馈仿真模型;然后通过计算毛笔模型变形时每个采样点处的笔触形状,得到笔触变化的时间序列,获得完整的笔道,实现力对笔道的动态控制.文中利用Phantom Desktop力反馈设备,成功地实现了具有力觉反馈的笔道仿真.仿真结果表明,该方法再现了传统笔道绘制中通过力触觉控制绘制的过程,有效地增强了虚拟绘制过程的真实感.     

面向虚拟介入手术的电磁力反馈模型的设计与仿真

为满足虚拟血管介入手术中力触觉反馈的实时性和精准性,采用磁悬浮原理设计一种力反馈模型生成虚拟介入手术中的周向旋转力触觉.通过分析通电线圈磁场特性和介入手术操作模式,首先设计电磁线圈阵列的拓扑结构和手术器械模型;随后针对线圈阵列提出最优电流分配策略并进行仿真验证;最后通过模型融合方法构建力矩-电流预测模型.实验结果表明,该模型能以3％的误差、40 Hz的频率预测出电流,结合最优电流分配策略可对介入手术中的关键力反馈进行实时、精确还原.     

人体软组织建模与实时仿真

虚拟手术系统在医学中实时仿真以建立可供手术前规划和手术时参考的虚拟环境.由于人体器官大多由软组织构成,有限元法能够精确地进行软组织几何大变形仿真.加速有限元仿真有多种方法,文章采用基于模态分析的模型约简方法,对软组织有限元模型进行模态分析,将约简子空间中的形变向量重构到原始空间,从而实现软组织实时仿真.实验结果表明,采...     

支持力反馈的肝脏外科虚拟手术仿真系统

介绍一个用于外科手术的肝脏虚拟手术仿真系统。该系统基于SensAble公司的PHANTOM力反馈设备,利用虚拟现实技术实现肝脏手术过程中有关肝脏及其内部组织的多种手术操作,提供真实的视觉反馈和力反馈,具有良好的实时性。为虚拟现实技术在手术仿真中的实用化探索出一条可行的道路。     

具有力感觉的声带肿物切除仿真方法研究

在虚拟手术系统中，实时的图形显示和使操作者感觉到真实的操作力是非常重要的。该文介绍了在建立虚拟手术系统中，具有力感觉的声带肿物切除的仿真方法。首先介绍了软组织声带以及声带肿物的几何建模办法，考虑到虚拟手术中对实时性的要求，采用了分块建模的方法；然后通过对软组织生物力学特性的分析，利用弹簧-质量-阻尼模型对其建模。采用的算法减小了计算量，真实地仿真了声带肿物取出时声带的变形以及操作者感觉到的力。     

带有力感觉的显微外科手术血管的仿真研究

随着虚拟现实技术的进步，带有力感觉的仿真研究迅速发展，特别是在医学上得到了广泛应用。利用虚拟现实技术取代效率低下的常规培训，可以大大减少所需的培训时间和昂贵的动物实验费用。针对复杂的显微外科手术的血管缝合，作者建立了可用于大夫培训、手术规划的虚拟现实系统。其中的交互设备采用了具有力反馈功能的PHANTOM—Desktop，使用与之配套的GHOSTSDK软件开发包，建立虚拟环境。考虑到柔性体仿真的实时性和真实性要求，采用了质量一弹簧模型的建模方法。在完成了对虚拟环境中柔性平面仿真的基础上，成功实现了带有力感觉的显微外科血管穿刺的虚拟仿真。     

虚拟手术中肝脏形变仿真系统

由于肝脏具有复杂的生物力学特性,因此在进行形变仿真时,计算量大而难以达到实时性要求;同时在对肝脏形变实时仿真时却很难达到真实感.为了解决这一矛盾,需要研究一种可以自动依据手术器械操控区域及施力大小而动态转换的混合模型,通过理论分析提出了一种肝脏网格与无网格混合模型的构建方法.实验结果表明,该算法具有较高的计算效率且形变具有较好效果,能够满足虚拟肝脏手术仿真的真实感与实时性要求,对虚拟肝脏软组织手术研究具有一定的指导意义.     

虚拟手术中模拟软组织切割的混合弹性模型

虚拟手术仿真系统应该同时满足真实性和实时性的要求.弹簧质点模型可以满足实时性的要求,但它无法模拟人体的粘弹性特征;而传统的有限元模型虽然可以模拟人体的粘弹性特征,但巨大的时间消耗使得这个方法几乎无法给出实时的反馈.混合弹性模型是一种基于有限元方法的优化模型,由于采用了简化措施,使得它既克服了弹簧质点模型的缺陷;同时也满足了虚拟手术的实时性要求.实验证明混合弹性模型在虚拟手术的真实性和实时性之间达到了一个较好的折中效果,它可以实时的提供视觉反馈,同时也使在虚拟手术系统中引入力反馈器成为可能.     

用于实时柔性触觉再现的平行菱形链连接模型

精度高且实时性好的柔性触觉变形模型是实现触觉再现系统的关键。提出了一种新的基于物理意义的平行菱形链连接触觉变形模型,系统中各个链结构单元相对位移的叠加对外等效为物体表面的变形,与之相连的弹簧弹性力的合力等效为物体表面的接触力。使用Delta 6-DOF手控器,建立了触觉再现实验系统,对柔性体的接触变形和实时虚拟触觉反馈进行仿真, 实验结果表明所提出的模型不仅计算简单,而且能够保证触觉接触力和形变计算具有较高精度,满足虚拟现实系统对精细作业和实时性的要求。     

一种基于逐次逼近法求解软组织力平衡的方法

进行腹腔微创手术操作时,为获得软组织变形的图形反馈,需要进行软组织的力平衡求解.建立了胆囊及其附属管路的几何模型,对其赋予弹簧一质点力学模型,提出了一种基于逐次逼近法的力平衡算法求解软组织力平衡.该算法编程量较少,易于实现,仿真实时性也较好.仿真实验表明,该算法可以产生较为真实的软组织图形反馈,可以实际应用于软组织仿真...