第二章 虚拟手术系统分析与构架
2.1 引言
以肝脏微创手术为例，一个完整的虚拟仿真手术过程涉及使用手术刀切割肝脏病变部位，电凝和冲洗等操作。整个虚拟手术仿真系统的操作管线可以用如图 2-1所示的循环来描述。
系统运行前需要完成硬件设备，主要是力反馈设备的初始化工作（如控制手术操作杆松紧的舵机角度的初始化，各种角度、位移传感器的初始化等），并完成器械模型和人体器官模型的加载和相关数据结构的初始化工作。当用户通过具有力反馈功能的手术器械进行手术操作时，手术器械对应的虚拟模型的自由度（位置、速度和欧拉角度等）将发生变化，软件系统更新相关数据，并检测手术器械是否和人体器官发生了碰撞。如果有碰撞发生，则根据碰撞程度更新器官的拓扑结构（形变或破碎）并由渲染系统将视觉效果呈现给用户，同时将计算得到的力反馈量传递给力反馈系统，用户同时获得触觉体验和视觉体验。分析图 2-1 可以得出虚拟手术软件系统应该由以下几个模块构成：(1) 负责设备初始化及模型加载的初始化模块；(2) 负责将用户输入传感信息转换成虚拟手术系统位置信息的用户输入模块；(3) 负责检测碰撞发生状况的碰撞检测模块；(4) 负责更新拓扑结构变化的形变计算模块；
由于本文的工作重点主要集中在碰撞检测和软体形变技术的应用与实现，为了叙述方便，下面章节中将不再讨论与本文工作无关功能模块的具体内容和实现方法。
2.2 系统结构
完整的虚拟手术仿真系统包括硬件和软件两个部分。硬件模块主要由虚拟手术器械、数据采集卡、图形工作站和力反馈装置等构成，软件模块则集成了碰撞检测模块、软组织形变计算模块、软组织切割计算模块、缝合计算模块、反馈力计算模块和图形渲染子系统等。图 2-2 为虚拟手术仿真系统的软硬件结构。
第二章 虚拟手术系统分析与.......................................9
2.1 引言...................................................................9
2.2 系统结构...........................................10
2.3 基本图形元素...........................................14
第三章 碰撞检测技术的.......................................17
3.1 引言....................................................17
3.2 碰撞检测算法的设计......................................................17
3.3 实验和算例.................................................36
第四章 形变建模技术的...............................................37
4.1 引言................................................................37
4.2 形变模型构建.............................................37
4.3 ODE 求解器的分析与.....................................42
4.4 形变管线的设计与...............................45
第五章 系统的具体实现 ....................................51
5.1 渲染模块的设计与实现............................................51
第六章 总结与展望
6.1 总结
虚拟手术仿真是一个涉及医学、虚拟现实和机器人等多个学科的交叉课题。在国内外，各种相关技术仍处于发展阶段，没有形成统一的设计与实现规范，而另一方面，由于虚拟手术仿真技术可以提供一个廉价、低风险的手术训练手段，该技术正受到越来越多医学机构的关注，因此对虚拟手术仿真相关技术和方法进行研究具有重要意义和价值。在虚拟手术仿真中，由于手术器械模型与人体软组织模型的交互，发生碰撞和软组织的形变是最基本的现象，能否对之进行高效逼真的模拟对整个系统的成功研发起着至关重要的作用。论文在总结国内外相关研究成果的基础上，对碰撞检测及形变建模技术在虚拟手术仿真中的应用进行了深入研究，并将其应用到实习公司开发的肝脏微创手术仿真模块中，证明了本文设计方案的可行性。
(1) 在系统构架方面，设计了虚拟物体的多模型表达结构，将一个虚拟物体对应为碰撞检测、形变和渲染三个模型，模型由点、边、面和体等几何元素构成，分别提供给碰撞检测模块、形变计算模块和图形渲染模块使用。最后将这些模型数据及相关算法集成到系统中，在每个时间步，由碰撞检测模块和形变计算模块不断更新各个模型数据来实现仿真流程。
(2) 在碰撞检测方面，由于软体组织的特点，本文采用包围球层次树结构构建碰撞模型，设计并实现了基于光线追踪和包围层次树的碰撞检测算法。
(3) 在形变计算方面，本文使用高效的质子弹簧模型，设计并实现了一个满足虚拟手术仿真系统实时性和真实感要求的形变计算模块，通过分析形变模型受力情况得到自由度变化，进而更新几何模型的拓扑结构实现形变仿真。
参 考 文 献
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