● 摘要
随着虚拟现实技术在医学领域应用的不断深入，手术模拟器越来越受到人们的广泛关注。作为安全且行之有效的手术训练设备，手术模拟器能够为外科医生提供训练手术技能的安全仿真环境。为了提高仿真环境的真实性，当前手术模拟器的研究热点主要集中在实时模拟手术场景中软组织在手术器械作用下的精确响应，其基本任务是模拟软组织在手术刀切割作用下的几何形变和拓扑改变。由于人体软组织在手术中表现出非线性特性，并且拓扑改变会导致预计算信息的失效，故而为实时切割和变形的模拟带来了很大的困难。论文针对手术仿真中的软组织变形和切割的实时性问题开展了如下工作：1、混合有限元变形算法。采用有限元模型来描述软组织，针对手术操作过程的局部性，将软组织按照手术区和非手术区划分成两个区域：在手术区域使用非线性有限元来获得精确模拟，在非手术区采用线性有限元来提高模拟效率，采用显式时间积分来进行有限元方程的求解。实验表明该算法能够通过控制线性单元的比例控制算法的效率和精度，为具体的要求选择合理的效率和精度提供了可能性。2、针对切割带来的预计算数据失效的问题，以非线性有限元作为变形模型，采用虚拟结点切割算法与变形算法相结合的方法，在单元层次上进行预计算，对切割后的软组织拓扑进行局部修改，克服了预计算数据失效的问题，实现了对软组织变形切割的实时仿真。实验表明提出的方法能够高效地处理非线性软组织实时切割的问题，并且能够获得较好的视觉效果。3、针对本文所采用的切割算法的特点，给出了高效的碰撞检测算法，并将其与实时切割、实时绘制等模块整合到一起，实现了手术仿真系统原型。