虚拟手术中软组织形变仿真分析

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1、原创性声明和关于论文使用授权的说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：奎赵日期：逸21竺丝一一一一关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索

2、，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。⋯～越赢名：一：哗洳山东大学硕士学位论文1．1研究背景及意义第一章绪论计算机图形及生物力学领域的发展，给医学模拟的研究带来越来越多的吸引力。可视化的研究以及信息技术的飞速进步促进了虚拟现实技术的发展，虚拟现实(VR，VirtualReality)，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟手术系统是虚拟现实技术在现代医学中的应用，是一个融合了计算机技术、计算机图形学、计算机图像处技术、传感器技术、生物力学、现代医学、计算机视觉、机器人学、科学计算可视化等多种学科的多学科交叉研究领域【11。虚拟手术系统是

3、一个专门用于对手术过程中所发生的各种现象进行仿真的虚拟现实应用系统。主要由医学数据可视化与建模、人体组织器官受力形变仿真两部分构成，在视觉与触觉感官上为使用者提供了手术场景的真实再现【2】。虚拟手术系统主要应用于[3114】【5】：●为外科医生的培训提供实验对象外科手术的复杂程度越来越高，不经过充分的训练，外科医生很难胜任现代外科手术。通常训练一个外科医生需要5．7年时间，在此期间，医生还必须进行大量的手术训练。传统的训练主要采用动物和尸体作为实验对象，但是动物的解剖结构与人体的解剖结构不同，而且尸体的材料特性与活体组织存在较大差异。尸体不能重复利用造成培训成本很高

4、，而且还影响了外科医生培训的效果。虚拟手术可以模拟活体组织的各种物理及生理特性，提高了培训的效果；此外还可以为外科医生的培训提供无尽的实验对象。并根据需要提供多种不同实验对象。大大降低了外科医生培训的成本。●对手术结果进行预测近年来外科整形手术得到了广泛的应用，此类手术中需要对手术结果做出精确的预测，微小的偏差都可能影响到患者的终身幸福．以往的手术结果预测只能依靠医生的个人经验进行判断，估测结果较为模糊，缺乏有效的定量预测方法。虚拟手术系统的应用则可以对整形手术中组织所发生的形状改变和生理变化做山东大学硕士学位论文出精确的仿真。从而对手术结果进行精确的预测，为外科整

5、形手术提供了真实可靠的预测工具。●辅助制定手术计划当进行复杂的外科手术时，医生需要针对病人的病症制定周密的手术计划。采用虚拟手术系统，能够利用图像数据，帮助医生合理、定量地制定手术方案：利于选择最佳手术路径、减少手术损伤、减少对临近组织损害、提高病灶定位精度：此外还可以通过预演手术的方法发现手术计划中存在的问题，使之得到及时的调整，对于执行复杂外科手术和提高手术成功率等具有十分重要的意义。●手术导航虚拟手术系统中可以通过增广现实(AugmentedReality)技术进行手术导航，将术前检查过程所获取的患者病灶区域的数据，通过计算机处理生成图像，与实时获取的图像进行

6、匹配定位融合，或利用视频技术将其叠加在病人身体上，以达到引导手术、提供辅助信息的目的，有效提高了外科手术人员的能力以及手术的成功率。因此虚拟手术系统的研究与开发具有重大的理论与实际意义，近些年来受到了众多科研机构及团体的关注。1-2国内外相关研究人体组织器官建模技术是虚拟手术的研究重点与难点。它首先通过对原始医学图像的处理，获得人体组织的几何模型。然后对组织进行物理建模，利用对组织生理性质研究所得到的物理特性，对人体组织在虚拟手术中受力变形的行为进行模拟。如何折中考虑手术仿真的真实感和计算时间是一个很重要的研究课题。由于人体的大部分都由软组织构成，可以说软组织是外科

7、手术中的主要手术对象。总的来说，软组织的基本材料特性概括为：不均匀性、各向异性、准不压缩性、非线性、塑性、粘弹性等材料特质，但软组织包括脂肪组织)肌肉、神经和器官等，可谓多种多样，其结构与功能非常复杂，不同组织之间的力学特性又不尽相同，如何构建出统一高效的软组织材料力学模型一直是虚拟手术研究的一大难题。软组织所具有复杂的生物力学特性，为计算机建立形变模型带来了一定的困难。冯元桢【6】作为生物力学的创始人，已经对肌肉、器官、血管、骨骼等组2山东大学硕士学位论文织的力学特性进行了分析讨论，并用精确的力学语言对生理学中的力学问题进行了描述，为后继研究提供了可靠的理论依