《基於元球模型的軟組織建模與手術模擬》是依託北京航空航天大學，由潘俊君擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於元球模型的軟組織建模與手術模擬
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：潘俊君
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著虛擬現實技術（VR）在醫學領域套用的不斷拓展和深入，虛擬手術及VR手術模擬器越來越受到學術界和工業界的關注。虛擬手術技術研究的核心和難點是人體軟組織的建模及其手術操作的模擬。元球模型作為一種特殊的隱式曲面造型技術，可以有效地描述光滑、圓潤的曲面，在人體器官的幾何及物理建模上有著天然的優勢。然而元球模型在紋理渲染上存在不足，而且現有研究沒有很好地解決切割模擬中元球集合的分裂與合併等問題，因而制約了該技術在VR手術模擬中的套用。本課題將針對基於元球模型的人體軟組織建模和手術模擬技術展開研究，力爭取得理論和技術突破。具體內容包括：從多邊形格線模型自動生成元球模型的方法；基於元球集合的人體軟組織物理建模；從元球集合到多邊形格線的映射算法；基於元球模型的人體軟組織切割、撕裂等手術操作的模擬。在上述理論和技術研究的基礎上，研製基於元球模型的虛擬手術引擎，並套用到我們已開發的腹腔鏡虛擬手術平台上。
結題摘要
虛擬手術技術研究的核心和難點是人體軟組織的建模及其手術操作的模擬。元球模型作為一種特殊的隱式曲面造型技術，可以有效地描述光滑、圓潤的曲面，在人體器官的幾何及物理建模上有著天然的優勢。然而元球模型在紋理渲染，切割仿真等方面存在不足。針對上述問題，本項目重點研究了基於元球模型的人體軟組織建模與手術模擬的方法，主要內容及進展包括： （1）元球模型自動提取及最佳化： 為了充分發揮元球模型在碰撞檢測和變形上的優勢，本項目研究了基於維諾圖的多邊形格線模型的元球模型自動提取方法，用其生成的元球集合作為軟組織器官的力學模型來計算碰撞檢測和物理變形。同時研究了元球模型的最佳化算法，並提出一種電荷引力模型對元球模型進行全局最佳化。該過程通過CUDA進行並行加速，比傳統的方法速度更快。針對手術中，剛性的手術器械與軟組織的頻繁碰撞，提出並實現了一種自適應的碰撞檢測方法，能夠快速地檢測軟組織間及與器械的碰撞。 （2）元球的物理建模方法及形變求解：在器官軟組織變形這一方面，本項目研究了元球模型拓撲結構的構建，並提出了一種基於位置動力學和拉普拉斯坐標約束相結合的形變算法，該方法能夠在儘量保證軟組織物理真實的情況下，實現快速變形。同時，研究並實現了一種基於蒙皮技術的器官表皮模型的形變算法，使得變形後的器官表面保持光滑的幾何特性。 （3）基於元球的軟組織實時切割仿真：在手術切割模擬中，本項目研究並實現了一種基於元球及無格線混合的快速切割模擬算法。該方法既保持了元球模型在人體器官幾何上的簡化性和變形的實時性，同時利用無格線模型添加了跟材質相關的能量約束，使其在器官切割的模擬中得到更逼真、更符合物理特性的視覺效果。另外，針對手術電凝的過程模擬，設計了一種基於熱擴散方程的電凝灼燒模擬方法。 目前，以上技術已經集成並套用到開發的腹腔鏡虛擬手術平台上，研製了相應的虛擬手術引擎。
