基于无网格的软组织切割模型的研究进展

具备支持实时交互能力的软组织切割模型对于虚拟手术仿真系统具有至关重要的意义。传统的软组织切割模型多基于网格建立,将软组织切割过程建模为手术刀具与软组织几何模型之间的网格切割计算,并在此基础上建立和求解生物力学方程以描述切割过程。由于网格切割计算代价高且软组织切割过程中涉及到复杂的生物力学问题,很难实现实时交互,严重影响了虚拟手术仿真效果。与此相反,基于无网格的软组织切割模型打破了网格限制,在触觉/视觉逼真度和实时性方面都具有很大优势。文中从力反馈和视觉反馈的渲染质量和速度等方面,就基于无网格的软组织切割模型的研究现状进行了概述,对存在的问题进行了分析和总结,并对未来的发展方向进行展望。

一种基于四面体的软组织切割算法

手术仿真系统可以进行新的手术方式的培训、也可以用来预演手术的整个过程以便事先发现手术中的问题。作为一个特殊的VR系统 ,手术仿真系统要求能够对手术过程中的切割和缝合进行模拟 ,本文提出了一种基于局部处理的软组织切割算法 ,可以较好地完成对于以四面体作为基元的有限元模型的实时切割任务。

虚拟手术中的软组织切割方法综述

介绍了虚拟手术仿真中模拟软组织被手术刀具切割的处理流程,将现有的软组织切割算法根据四面体剖分策略的不同和根据切割处理时机的不同进行了分类。对每一类切割算法的实时性、鲁棒性和真实感进行了分析,同时对比各个算法的优缺点,并对近年来国内外学者在软组织切割算法上的研究进展进行了介绍。最后,通过现有算法的特点并结合虚拟手术仿真系统的设计要求,讨论了软组织切割算法今后的研究重点。

虚拟手术中模拟软组织切割的混合弹性模型

虚拟手术仿真系统应该同时满足真实性和实时性的要求。弹簧质点模型可以满足实时性的要求,但它无法模拟人体的粘弹性特征;而传统的有限元模型虽然可以模拟人体的粘弹性特征,但巨大的时间消耗使得这个方法几乎无法给出实时的反馈。混合弹性模型是一种基于有限元方法的优化模型,由于采用了简化措施,使得它既克服了弹簧质点模型的缺陷;同时也满足了虚拟手术的实时性要求。实验证明混合弹性模型在虚拟手术的真实性和实时性之间达到了一个较好的折中效果,它可以实时的提供视觉反馈,同时也使在虚拟手术系统中引入力反馈器成为可能。

虚拟手术系统中的软组织切割模拟

本研究提出了一个基于有限元形变计算的利用最小子集法进行切割模拟的优化方法,该方法解决了切割过程中刚度矩阵不断扩充更新对形变计算带来的影响,便于进行切割模拟。实验结果表明,该方法能够有效地动态模拟软组织的整个切割过程。

虚拟肝脏重建与形变切割仿真

针对肝脏虚拟手术仿真对仿真场景逼真性、形变和切割仿真实时性的要求,提出虚拟体包络技术、基于解剖结构的边界条件设置以及双体素网格3种创新方法,根据肝脏的解剖结构重建肝脏仿真模型。对于肝脏模型外以面模型形式存在的管道模型,将其镶嵌在虚拟包络体模型中以实现形变和切割仿真。通过对肝脏表面解剖结构的分析,以及对肝脏约束形式进行合理简化,在肝脏韧带结构上设置边界限制标志。双体素网格方法在两层尺度不同的体素网格上重建肝脏仿真模型:原始模型表面在精细体素网格中重建,而切割面则在粗糙体素网格中构造,以此减少形变和切割仿真的计算量。仿真结果表明所用方法能在保持肝脏形变和切割仿真的真实感前提下提高仿真的运行速度。

基于Bézier曲线的虚拟手术切割新算法

针对虚拟手术中现有切割算法存在的切口不光滑、对重组网格依赖大、容易生成病态网格等问题,提出了基于Bézier曲线的切割算法与切口边界独立绘制方案,在不增加重组网格的基础上,实现光滑的切口绘制;通过在切割区域边界点与Bézier曲线之间直接添加弹簧约束的方式,使模型能够控制切口的张裂度,实现切口的弹性张开;最后对切割操作中含摩擦力与不含摩擦力的反馈力计算模型进行了理论分析并与实测值进行了对比;结果表明该切割算法在视觉与触觉反馈方面都表现出非常好的逼真性。

四面体细分切割新算法

针对原有细分四面体切割算法复杂、易生成质量较差新体元的缺点,提出一种新的四面体剖分算法,对原切割算法中的三类不完全切割四面体进行剖分,转换为另两类完全切割四面体类型,使原有的基于最小四面体单元生成算法中的四面体切割类型由五类化简为两类,并对四面体切割过程中可能出现的边界切割和共面切割的特殊情况进行了分类处理,大大简化了四面体切割的分类。同时,为提高新生成的四面体单元的质量,提出了适用于此算法的切割点平移策略。实验结果表明,在一个由2 490个四面体构成的人脑模型上进行切割算法模拟,模型的平均体元质量仅下降0.000 062,说明该算法能够较好地维持模型质量的稳定。

综合使用CPU和GPU的实时手术仿真系统并行框架

使用多线程技术实现了任务并行化的实时手术仿真系统框架。系统由主控制、力反馈控制、变形计算和GPU控制四大主线程和若干碰撞辅助线程构成。主控制线程处理手术工具与软组织的交互操作、碰撞检测和碰撞响应。力反馈控制线程处理力反馈设备状态读入和反馈力输出。变形计算线程完成基于CPU的软组织变形计算。GPU控制线程处理三维场景图形渲染和基于GPU的软组织变形计算。碰撞辅助线程与主控制线程协同运作完成碰撞检测的并行处理。系统在数据结构和运行机制上进行了特殊设计,使得切割操作可以和GPU加速的变形计算并行运作。对若干测试场景的仿真结果表明,并行框架可以提高系统运行速度,并且运行稳定正常,无死锁现象。

一种取锁定钢板的可弯曲的软组织与骨切割刀

目前随着微创外科技术及桥接接骨板技术(MIPPO技术)的推广,锁定钢板经皮固定技术在下肢长管状中的应用不断增多,需要拆除锁定钢板的患者也不断增多。目的:应用一种减少创伤的快捷工具取出锁定钢板。方法:2020年10月至2021年6月应用可弯曲的软组织与骨切割刀取下肢长管状骨锁定钢板经皮内固定的患者23例,其中男18例,女5例,年龄17-59岁,平均年龄40岁,取锁定钢板时间26-60分钟,平均38分钟。结论:应用可弯曲的软组织与骨切割刀,具有微创操作,简化手术过程,增加手术安全性,提高手术效率。

ellman双频射频机

ellman双频射频机采用调制的4．0MHz和1．7MHz射频电波，由可选择的不同形状的发射机(刀头)定向发出，目标组织内的水分在电波作用下瞬间振荡汽化，引起细胞破裂蒸发，实现切割、止血、混切、电灼、消融、电凝等功能。