肝脏虚拟手术中的关键技术研究与实现

对虚拟仿真手术中的图像配准、图像分割、人体器官三维重建以及虚拟切割等关键技术进行了深入的探讨与研究,通过PHANTOM操纵"虚拟手术刀"对肝脏及其内部管道模型进行了仿真切割实验.结果表明,在力反馈设备的基础上进行虚拟肝脏切割手术.仿真手术过程和结果基本符合临床实际情况.     

CT序列图像中肝脏及其管道的分割

把肝脏及其内部各种管道从CT序列图像中分割出来,为后续肝脏及其管道的三维重建及最终的虚拟手术模拟提供正确的数据。在结合CT序列图像之间的相似性基础之上,提出一种动态自适应的区域生长算法。首先对原始CT数据进行中值滤波,去除部分噪声,然后采用相应的序列化区域生长分割模型,对CT序列图像中肝脏及其内部管道分别进行提取。实验结果表明,应用该方法能得到准确的肝脏及管道分割结果。     

虚拟肝脏的规则和非规则手术切除技术

为了提高肝癌手术治疗计划的可靠性,在利用腹部CT图像数据进行肝脏三维重建的基础上,实现了任意角度对虚拟肝脏进行平面切割和切割面结构的显示;通过构造可以调节大小、位置的球体模型,实现了球体切除;通过在肝脏三维模型表面上勾画不规则封闭区域,实现了任意曲面肝脏切除;并依据肝内血管结构进行肝段划分,实现了解剖性肝段切除.临床实验结果表明,文中所述的技术能够满足虚拟手术的需求,有利于医生制定安全可靠的术前计划,提高手术成功率.     

基于VTK的医学三维图像模型构建与切割

虚拟外科手术是医学领域的一个重要研究方向。基于面绘制和体绘制两种可视化算法实现医学图像的三维模型重建,针对不同重建模型分别实现虚拟任意切割：面切割和体切割,并讨论了虚拟切割的交互操作实现方法。用VTK(Visualization Toolkit)初步实现了模拟手术系统中的虚拟切割脊柱体功能。     

锥束 X-射线 CT 投影数据的仿真

研究 CT 图像优化问题,针对提高精确性和有效性,传统的解析方法很难应用于几何形状比较复杂的物体.为了提高CT 图像重建精度,提出从离散化图像的 Radon 变换,推导出一种模拟 X-射线投影数据的模型,并提出采用模型的快速计算方法.模型不受物体内部几何形状和扫描轨迹限制,用于数字化灰度图像.利用上述方法对三维 SHEPP-LOGAN 模型的投影数据进行仿真,并对得到的数据采用 OS-EM 算法进行重建.结果表明,提高了图像精度,进一步验证了方法的有效性.     

基于无网格的软组织物理建模及模型验证*

为了建立精确可靠的软组织物理形变模型对肝脏的生物力学模型进行了研究。首先,将人体肝脏CT图像在Mimics软件中进行三维重建,通过阈值化操作提取出肝脏的三维模型;其次,采用无网格的物理形变算法在虚拟肝脏仿真系统中对三维模型进行形变模拟,且通过对真实的猪肝进行单轴压缩实验获取肝脏的材料参数及应力应变曲线;最后,对实验结果进行优化计算选取合适的材料参数,并将使用该参数进行仿真计算的数据与真实实验数据进行比较。对比结果表明：在相同的位移条件下,仿真计算力与真实实验测试力的平均相对误差小于0.1,这证实了无网格形变模型的正确性和有效性。     

基于64排CT序列图像的肝脏及其管道的提取算法

目的：把肝脏及其内部的肝静脉和门静脉两种管道从64排CT序列图像中提取出来,为后续肝及其管道的三维重建及最终的虚拟手术模拟提供正确的数据。方法：利用CT序列图像之间的相似性,通过自适应的区域生长算法对CT序列图像进行自动提取。结果：实验结果表明这种提取算法能得到很好的分割结果。结论：本文提出的这种算法可以正确有效地完成CT序列图像的提取工作。     

土壤中元素空间分布的体视化方法研究

体视化技术主要研究包含物体内部信息的体数据的表示、变换、操作和显示等.土壤中元素空间分布的体视化对土壤中元素的空间分布规律及其污染评价、预测具有重要意义.对于理解土壤数据中蕴涵的土壤学信息,体视化比使用一组二维切片表示三维数据更自然、更清晰.文中基于Visual Studio 2005开发平台使用C#语言,引入三维可视化类库VTK,采用Kriging插值方法,实现了土壤中元素空间分布的体视化、三维交互以及任意剖切,同时给出了合肥市土壤的应用实例.     

虚拟手术中肝脏体实时切割系统

在检测二维医学图像的过程中利用医学图像的三维可视化技术有利于医生更加全面地分析图像数据,从而对病情做出准确的应对措施.以肝脏为例,首先提取可视人体数据集中连续横断面图像,采用区域生长的图像分割算法从连续的横断面图像中提取出肝脏轮廓的区域.然后对肝脏轮廓进行层间插值,利用VTK工具包结合面绘制方法构建出肝脏的三维模型.接着对初始模型进行一定程度的网格削减,降低数据冗余度,完成虚拟肝脏体的三维重建.采用CUDA架构进行肝脏体纹理的合成与映射工作,兼顾了体纹理的真实感和虚拟手术系统的实时性,对虚拟肝脏手术的发展有着重要的促进作用.     

医学图像三维表面模型切割算法

为了在计算机辅助虚拟手术中对重建的三维模型进行切割,提出一种医学图像三维表面模型切割算法,利用鼠标在模型上画任意形状的封闭曲线来模拟手术刀的切割轨迹,从而实现手术过程中的任意交互切割。仿真实验结果表明,该算法具有良好的交互性,能够获得较好的虚拟切割效果,具有一定应用价值。     

肝脏及内部管道的可视化和三维交互式测量

对肝脏和内部血管进行三维重建和三维空间距离的测量对于肝胆外科有重要的意义。在对VTK消息传递和处理进行分析的基础上,基于当前的二维设备,设计了一个可视化和三维交互式控制的距离测量系统,能够直观地观察体数据的各个截面,同时实现对肝脏及内部管道之间三维空间距离的测量,克服了当前系统中只能够在某个固定的平面上测量的缺点,有效地提高了测量的精确度,在辅助临床诊断、手术规划和医学研究等领域中有较好的应用前景。     

流体动画方法综述

介绍了二维流体和三维流体动画方法。流体动画制作分为两步:流体表面建模和流体绘制。二维流体建模主要采用参数建模方法,基于傅立叶变换原理,合成波动的二维流体表面。三维流体建模一般基于Navier-Stokes流体方程,利用流体内部的速度建立流体表面的方程。流体绘制主要采用光线跟踪方法。流体动画的挑战和发展方向在于:流体动画控制、实时绘制、细节表现。     

Enhancing Realism of Wet Surfaces in Temporal Bone Surgical Simulation

We present techniques to improve visual realism in an interactive surgical simulation application: a mastoidectomy simulator that offers a training environment for medical residents as a complement to using a cadaver. As well as displaying the mastoid bone through volume rendering, the simulation allows users to experience haptic feedback and appropriate sound cues while controlling a virtual bone drill and suction/irrigation device. The techniques employed to improve realism consist of a fluid simulator and a shading model. The former allows for deformable boundaries based on volumetric bone data, while the latter gives a wet look to the rendered bone to emulate more closely the appearance of the bone in a surgical environment. The fluid rendering includes bleeding effects, meniscus rendering, and refraction. We incorporate a planar computational fluid dynamics simulation into our three-dimensional rendering to effect realistic blood diffusion. Maintaining real-time performance while drilling away bone in the simulation is critical for engagement with the system.     

基于VTK的肝脏组织三维可视化体绘制

医学体数据可视化在临床上已成为辅助诊断和辅助治疗的重要手段,其技术也成为近年来研究和应用的热点。其中讨论了体绘制算法中最常用的光线投射法,并利用Visualization Tool Kit（VTK）,一个包含了多种体绘制技术的基于面向对象方法设计的、功能强大的可视化类库,来实现断层医学图像的三维重建,重建效果表明基于VTK的体绘制技术具有应用灵活、重建效果逼真、重建速度较快等优点。     

基于结构化粒子模型的云可视化应用

云数据的三维可视化模拟一直是计算机图形学和气象科学领域的研究热点。提出了基于WRF模式数据的建模与渲染技术,以实现真实云数据三维可视化模拟。针对粒子系统建模复杂、实时性差的问题,首先通过计算云粒子之间的相互关系建立结构化粒子模型,实现WRF云数据的建模;然后利用光照模型和公告牌技术对建模粒子进行光照渲染和三维模拟,同时结合Imposter技术提高纹理绘制速度和效果。实验仿真结果验证了该方法在提高云数据的建模与渲染速度,提高云三维可视化的逼真度方面的有效性。     

A Mixed-Depth Visual Rendering Method for Bleeding Simulation

The visual fidelity of bleeding simulation in a surgical simulator is critical since it will affect not only the degree of visual realism, but also the user’s medical judgment and treatment in real-life settings. The conventional marching cubes surface rendering algorithm provides excellent visual effect in rendering gushing blood, however, it is insufficient for blood flow, which is very common in surgical procedures, since in this case the rendered surface and depth textures of blood are rough. In this paper, we propose a new method called the mixed depth rendering for rendering blood flow in surgical simulation. A smooth height field is created to minimize the height difference between neighboring particles on the bleeding surface. The color and transparency of each bleeding area are determined by the number of bleeding particles, which is consistent with the real visual effect. In addition, there is no much extra computational cost. The rendering of blood flow in a variety of surgical scenarios shows that visual feedback is much improved. The proposed mixed depth rendering method is also used in a neurosurgery simulator that we developed.      

基于三维纹理的实时流体模拟

本文描述了一种利用基于Open GL三维纹理实现的直接体绘制方式显示流体模拟结果的方法。以JosStam的二维流体模拟模型为基础，扩展出三维流体模拟的模型；然后通过将密度场映射到三维纹理空间，实现实时的显示；并通过引入全局光照模型，得到真实感的渲染效果。最后通过与粒子系统进行对比，分析了本方法的显示效果优势。     

Robotic surgery setup simulation with the integration of inverse-kinematics computation and medical imaging

At present, there are representative robot operation systems such as da Vinci and ZEUS which have realized minimally invasive surgery by the use of dexterous manipulators. In the operating room, medical staff must prepare and set up an environment in which the robot has optimal freedom of motion and its functions can be fully demonstrated for every case. The range of motion in which the robot can reach and be maneuvered is restricted by the fixed point of the trocar site. We have developed a preoperative planning system with the function of volume rendering of medical images and automatic positioning by applying an inverse-kinematics computation of surgical robot. The motion of a surgical robot can be simulated in advance with the intuitive interface and kinematics computation program running in the background of the system. If robotic surgery planning with volume rendering of DICOM images is possible, the discussion of a surgical plan can be directly made just after the diagnosis considering the patient-specific structure. This kind of setup platform would be essential for the future introduction of surgical robotics into an operating room.     

可视化技术在发动机三维流动数值计算中的应用研究

基于MS Windows平台，应用面向对象技术，采用VisualC＋＋6．0编程，调用OpenGL图形库，我们对Marching Cubes经典算法进行了改进，实现了等值面及其体绘制、云图和流线的生成，开发了一个发动机三维瞬态数值模拟计算流场可视化系统。