（计算机应用技术专业论文）手术仿真中软组织切割方法研究.pdf

摘要手术仿真系统是仿真技术在现代医学方面的一项重要应用，它对手术过程进行模拟，给医务工作者提供了可靠的手术训练环境。在外科手术中，对人体软组织进行切割是最常见的操作之一，因此软组织切割仿真也是手术仿真系统中必需的功能模块。本文主要致力于提高软组织切割仿真的真实感、实时性和稳定性方面的研究，毛要工作和研究成果如下：本文以人体切片图像为数据源，采用a m i r a 几何建模软件建立了入体肝脏模型，为软组织切割仿真建立了模型基础。在软组织切割方面，现有的切割方法不仅存在真实感不强、实时性差的缺点，丽且在它们基础上难以进行提高系统稳定性的改进。因此，本文提出了一种新的切割方法，该方法通过对待切割四面体进行细分( s u b d i v i s i o n ) 和分裂( s p t i t t i a g ) 操作来实现软组织的切割。新的切割方法不仅弥补了现有算法的缺点，而且具有实现简单，适用性强的特点。手术仿真系统的稳定性取决于模型中四面体的稳定性，模型中一个四面体不稳定就可能造成整个系统不稳定。为此，本文采用投射法( s n a p p i n g ) 来提高切割中产生的四面体的稳定性。投射法的主要思想是根据一定投射规则，分别改变边交点和面交点的位置来避免产生不稳定四面体。实验结果表明，本文所研究的软组织切割方法和投射法分别提高了软组织切割仿真的真实性、实时性和稳定性。硕士研究生张彦波( 计算机应用技术)指导教师潘振宽教授关键词：手术仿真：切割仿真；投射；几何建模t h er e s e a r c ho hs o f tt i s s u ec u t t i n gm e t h o di ns u r g e r ys i m u l a t i o na b s t r a c ts u r g e r ys i m u l a t i o ns y s t e mi sa l li m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi nm o d e mm e d i c i n e i ts i m u l a t e st h ep r o c e s so fs u r g e r ya n dp r o v i d e st h er e l i a b l es u r g e r yt r a i n i n ge n v i r o n m e n tf o rm e d i c a lp e r s o n n e l i nar e a ls u r g e r y ，s o f t - t i s s u ec u t t i n gi sav e r yc o m n l o no p e r a t i o n t h e r e f o r e ，s o f t - t i s s u ec u t t i n gi san e c e s s a r yi s s u ei no u rs u r g e r ys i m u l a t i o ns y s t e m r e a l i t y ，r e a l - t i m ea n ds t a b i l i t yi ns o f t - t i s s u ec u t t i n gi sr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s ，t h ew o r ka n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w ：b yl e t t i n gs l i c e so fh u m a nb o d yb ei n p u td a t a , ah u m a nl i v e rm o d e li sb u i l tf o rc u t t i n gs i m u l a t i o nu n d e rt h ep l a t f o r mo fa m i r aw h i c hi sam o d e l i n gs o r w a r e t h e r ea r cm a n ys h o r t c o m i n g si nf o r m e rc u t t i n gm e t h o d s ，s u c ha sb a ds e l l q eo fr e a l i t y ，w e a kr e a l - t i m e ，e v e nh a r dt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo fs i m u l a t i o ns y s t e m i no r d e rt oc o n q u e rt h e s es h o r t c o m i n g s t h i sp a p e rs t u d i e san e ws o f t - t i s s u ec u t t i n gm e t h o d n l cm e t h o dr e a l i z e ss o f t - t i s s u ec u t t i n gb ys u b d i v i d i n ga n ds p l i t t i n ga l lt h ei n t e r s e c t e dt e t r a h e d r o n sw h i c ha r ed e t e c t e di nc o l l i s i o nd e t e c t i o no v e m l lm o d e ls t a b i l i t yi sd e p e n d e n to nt h es t a b i l i t yo fi n d i v i d u a le l e m e n t , s u c ht h a ti fa ni n d i v i d u a le l e m e n tb e c o m e su n s t a b l e ，i tf o r c e st h ew h o l em o d e lt ob e c o m eu n s t a b l e t h e r e f o r e ，as n a p p i n gm e t h o di su s e dt oa s s u r et h es t a b i l i t yo fe a c he l e m e n t t h em a i ni d e ao fs n a p p i n gi sv a r y i n gt h ep o s i t i o n so fe d g ei n t e r s e c t i o n sa n df a c ei n t e r s e c t i o n su n d e rc e r t a i np r i n c i p l e st oa v o i dp r o d u c i n gu n s t a b l ee l e m e n t s t h ee x p e r i m e n tr e s u l td e m o n s t r a t e st h a tt h ec u t t i n gm e t h o da n ds n a p p i n gm e t h o dr e s e a r c h e di nt h i st h e s i sh a se f f e c t n e l yi m p r o v e dt h er e a l i t y , r e a l - t i m ea n ds t a b i l i t yo f t h es u r g e r ys i m u l a t i o n 町s t e m p o s t g r a d u a t es t u d e n t ：y a n - b oz h a n g ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y )d i r e c t e db yp r o f ：z h e n - k u a np a nk e yw o r d s ：s u r g e r ys i m u l a t i o n ；c u t t i n g ；s n a p p i n g ；g e o m e t r i cm o d e l i n g学位论文独创性声明与知识产权权属声明学位论文独创性声明本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。论文作者签名：厉艮韶动k日期：加啼年和彤日学位论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛大学。本学位论文属于：保密口，在年解密后适用于本声明。不保盔( 请在以上方框内打“v ”)论文作者签名：导师签名：欲荔旌砌幺日期：2 4 d 7 年月，日日期：p 噼向后日( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用)5 5第一章引言第一章引言1 1 手术仿真系统产生的背景现代科学技术的飞速发展使得计算机应用技术渗透到社会生活的各个领域，对虚拟现实系统的研究结合现代医学便产生了手术仿真系统。手术仿真系统融合了计算机技术、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。手术。仿真系统在视觉与触觉感官上为使用者提供手术场景的真实再现，可应用于外科医生培训、手术效果预测和手术导航等领域。经过各国科研人员十几年的研究和积累，逐渐形成了较为清晰的手术仿真系统概念和功能架构。手术仿真系统有着重要的研究价值和广泛应用前景，手术技能训练和手术方案规划是其主要的两个应用方向。借助于虚拟外科手术系统，医务人员可以沉浸于计算机生成的虚拟手术环境中，通过仿真手术器械体验核学习如何进行各种手术，并培养应付各种突发情况的能力。随着医学研究的深入开展，医学技术快速发展，尤其表现在手术技术不断地进步。随着手术的对象范围口益扩大、手术器械的科技含量逐步提高、对医护人员的技能要求也越来越高。如内窥镜手术和微创手术，能够最大限度减轻对病人造成的身体上的创伤和痛苦，并加快康复速度。但是由于技术的复杂性和高难度，缺乏实践经验的年轻医生很难掌握，掌握技术的有经验医生也容易由于长期没有作此类手术而使技能生疏。同时，医生在对病人在进行复杂或结果未知的手术之前，手术专家组应当能够在手术仿真系统中验证手术方案是否可行，这也是对虚拟手术系统提出的高级要求。传统的解决办法为利用人的尸体或假肢和动物进行训练与试验，但这些方法都有各自的缺点：动物的身体与人体存在着明显差别，此方法仅限于训练医生在一般手术中操作能力；同时，受到许多动物保护组织的反对和谴责。可以用作医学教学和训练的入的尸体数量有限，无法满足当前医学研究的发展要求，而且尸体不具备活体的动态特性，如血液循环和呼吸心跳等，更不能重复利用。在手术规划中，医生往往只能依靠手术经验，采取手术方案并判断手术效果，而不能完全根据病人的具体情况做i f j 合适的规划。在系统仿真技术飞速发展和广泛应用的科技背景下，手术仿真系统的研究和应用逐渐成为医疗工作者和科研人员共同关注的解决方案。手术仿真系统应该能够模拟手术过程中的大部分功能，同时满足可重用、无伤害和特殊病例分析等要求。手术仿真系统一般满足以下要求：首先，沉浸感要求，即要使接受训练的医生能够产生身临其境的感觉。一方面，通过以计算机图形学为基础的视觉反馈模型和反馈设l青岛大学硕十学位论文备，向当事人提供宜观的视觉信息，另方碰，通过以生物力学为基础的力反馈模型和力反馈设符，为当事人提供可信的触觉信息；第二，真实感要求。在手术仿真过程巾，人与系统的交巨过程的结果要符合实际规律，给当事人以真实感。如：人体软组织的变形与分裂要符合器官的特性，赢液的流动婴符合液体的特性等；第三，实时性要求。仿真算法要兼顾效率，实时一陀要求往往和其他要求牛h 冲突，也是手术仿宾系统研究的热点和难点。1 2 手术仿真系统的发展历史仿真技术和现代医学的飞速发展和交融加快了仿真技术应用于医学的前进步伐，医学仿真系统的研究逐渐得到广泛的重视。s a t a v a 于1 9 9 6 年在第鲫届医学虚拟现实会议上提出丫关于三代医学仿真系统框架的概念【i j 。在第一代医学仿真系统中，虚拟现实技术中的漫游和交互技术被引入到手术仿真系统，系统结合医学分析数据集完成人体几何特征的重构和仿真，目的是为医疗工作者提供更川直观、感性的培训教育，f 台。第二代医学仿真系统侄已有的几何重构仿真的基础卜，加入了一些人体的物理学特性，使得系统同时具备有人体物理特性的仿真，包括软组织侄受外力f ：用情况一b - 的形变仿真和血液流动仿真等。第三代医学仿真系统的仿真目标是模拟人体器官的生理机能，即要在几何模型和物理模型的鉴础i - - d h 入! 卜物学模型和! k 理模型的构造，如l l 液循环系统的仿真、神经控制系统的仿真、个体牛长发育过程的仿真等等。就目前来看，医学仿真系统的研究刚刚步入第二代的f 究发展阶段，第一代系统的发展也没有达到完全成熟，可以说医学仿真研究的前景广阔，有深远的发展潜力。8 0 年代，i t ! t 界上第一个医学手术仿真系统山d e l p 和r o s e n 设i + l l l 来，用于模拟关节移植手术的过程和结果。在1 9 9 1 年，s a t a v a 设计矾第一个腹部手术仿真系统【i i ，由于当时虚拟现实技术水f 和设备水s l 限制，真实感和交互性还远1 i 能满足医生要求，但为后来的手术仿真研究奠定了概念基础。仿真系统一iv i 用到的医学数据源主要来自一般医学分析信息，直到1 9 9 4 年，虚拟人( v i s i b l eh u m a n ) 田】计划的概念才第一次被提i 1 。此项目致力于建立人体完备信息数据集，包括人体组织的几何、物理、_ ：理试验数据和面向憋个人体的牛卵机能试验数据，从而为人体聊f 究相关科学提供有力的科学事实依据，项目的初步结果是获得了人体的切片电子数据集，为医学仿真的深入发展提f j , l 7 条件。1 9 9 9 年，d a n i e l 等1 2 0 1 设计i l l 第一个功能比较完善的手术仿真系统，丑i l 斟1 1 所示，此系统利用虚拟现实设备实现与用户的交互，并根据交互输入实现人体软组织的切割变形仿真。2第一章引言圈1 1 手术仿真系统2 0 0 2 年l o 月2 7 曰，我围首例数字化可视人体在在重庆第三军医大学完成堋1 。这套数据集具有东方人的体态特征，对一个标准的东方男性人体作切片处理，厚度为l m m ，对每层切片获取图像资料，蹩个过程无断面连续完成，切片质量也较高，达到了当时的国际领先水平。2 0 0 3 年2 月，中国首例女性虚拟人数据集在第一军医大学构建成功。标本原型在零下7 0 摄氏度冷冻后横向切成8 5 5 6 片，每片厚度仅为0 2 毫米【s j 。1 3 手术仿真系统软硬件组成手术仿真系统是医学图像处理、虚拟现实技术与现代医学技术的结合。在一个典型的手术仿真系统中，系统通过处理获取到医学数据，在虚拟现实环境中构建人体组织或器官，用户通过虚拟现实交互j ：具与系统来改变环境中对象的状态。手术仿真系统融合了众多门类的科学技术，这是由其系统组成要求和系统定义决定的。就目前的手术仿真系统研究状况而言，其组成从宏观上分为硬件和软件两部分。1 3 1 系统硬件组成手术仿真系统的硬件主要由输入设备、主计算机和反馈设备组成，如图1 2 。交互设备以当前的虚拟现实技术为基础，完成用户与系统的交巨。例如，数据手套可以实现用户在手术仿真过程中对器械进行操作的位置模拟和手部的触觉反馈；3 d眼镜能够提供给用户真实的场景效果；力反馈操纵杼可给用户可信的反馈力等，火3青岛大学硕士学位论文多数漫备都代表了虚拟现实的前沿技术。数据处理主机主要实现算法和程序软件的运行，包括图形图像绘制、碰撞检测、切割算法和变形计算的实时处理。1 3 2 系统软件组成图1 2 系统的硬件组成根据手术仿真系统功能的需要，可以将系统软件分为几何建模、碰撞检测、切割缝合、真实感绘制、反馈力计算和并行计算控制等功能模块。图1 3 描述了系统的几个主要功能模块及相互关系嗍。图1 , 3 手术仿真系统软件横块组成及关系4第一章引言( 1 ) 几何建模几何模型建立是手术仿真系统的研究的基础。为了满足切割仿真的需要，网格单元一般采用三角面片单元或四面体单元等非结构化网格。由于非结构化的单元( 三角形、四面体) 在实施切割时，对切割进行的方向没有限制，而且可以在切割后方便的重构出单元网格，保持基元在形状上的一致性，因而成为手术仿真系统几何模型主要方法。几何模型的构造主要分为面模型和体模型两类。面模型是用表面网格表示研究对象的表面几何特征，体模型则利用充满整个体积空间的单元描述对象的几何形态。对面模型和体模型的选择主要考虑到计算效率和物理准确性的折衷。对于同一对象，面模型数据量较小，在计算模型的处理过程中有效率优势，但不能真实地模拟对象的物理属性。为了达到较好仿真效果，本文选择了以四面体为基元的几何模型作为切割对象。( 2 ) 物理建模物理建模是计算建模和变形计算的前提，主要使对象模型具备原实体的物理特性，控制软组织在外部作用一f 的交互性能，从而满足模拟软组织肜变、触觉反馈和力反馈等系统功能性要求。人体组织及其复杂，而且一般由几个层次组成，通过对于组织生理特性的研究可以得到物理模型的外在表现和内在参数。常用的物理模型为基于胡克定律的线弹性物理模型( 1 i n e a re l a s t i c p h y s i c a l m o d e l ) ，即模型巾的应变和应力为线性关系。此种模型一般只适用于简单情况下较小位移的形变计算。复杂一些情况一般选择非线性模型，常见的有粘弹性模型等。但过度复杂的物理模型实现起来相当复杂，计算效率也不高，冈此实际应用起来十分困难。( 3 ) 计算建模计算建模在已有的几何模型和物理模型的基础上，采取合理的计算方法，计算出交互作用引发的交互结果。较为广泛应用的方法有弹簧质点模型捌、张量质量模型和有限元模型等。模型的建立要考虑真实性和实时性要求，针对不同系统功能应选择适合的计算模型。( 4 ) 碰撞检测在用户与系统统交互的过程中，系统应当及时获取用户的交互信息。如在软组织变形仿真过程中，系统要根据手术器械与对象模型的位置关系，判断是否发生碰撞。由于对象几何形态上存在的不规整性，判断是否发生碰撞的判据和判断算法很大程度上影响系统的实时性。碰撞检测作为单独的软件模块进行优化，可以较大的提高系统运行效率。同时，碰撞检测也是近年虚拟现实领域的研究热点。目前，碰撞检测算法主要分为两类：基于包围盒的碰撞检测方法和基于邻接关系的碰撞检测方法。前者根据各个检测目标的凡何特征各自建立包围盒，把对象的碰撞检测转化5青岛大学硕：i 二学位论文为包围龠的相交测试。在数据量较大的模型中，此方法比通常的蛮力计并法效率茼，但实现比较复杂。后者则充分利用几何单元的邻接关系，快速查找感兴趣的单元，进行检测。此方法效率较高，但邻接信息的维护实现起来比较复杂。( 5 ) 变肜计算变形计算根据计算模型计算出软组织对象发生的形变。同时，由于计算过程可能出现结果失真等情况，需要对计算过程作一些约束，控制计算结果的真实性。计算应满足实时性要求，主要受硬件水平和并行算法等因素决定。( 6 ) 切割缝合切割和缝合仿真是手术仿真中重要的组成部分。主要模拟手术对象在虚拟手术器械的作用下发生的切割缝合过程。此部分与几何模型、物理模型、计算模型和碰撞检测紧密棚关。在检测到手术器械和对象模型之间发生碰撞后，计算组织受到的外力、应力和肜变。如果符合一定的切割分裂条件，则采用合理的切割算法策略分割或连接对象。模块的技术关键在于正确处理切割引起的几何模型拓扑改变。其中，对人体软组织的切割仿真是本文的研究重点。( 7 ) 真实感绘制系统通过真实感绘制模块实时向用户反馈真实可信的视觉信息，包括对象的几何模型、材质属性、光照和纹理等。真实感绘制的质量取决于对象几何模型的质量和图形图像处理技术的高低。目前，o p e n g l a p i ，由于其简单易用性，被研究人员广泛采用。它支持图像处理的大部分技术，具备；f 台可移植性，非常适合实现各种仿真系统的图像绘制。图像渲染质量和实时性存在冲突，但可通过高性能图形加速卡提高图像渲染速度。在这方面，有大量的虚拟现实建模软件的成功技术可以借鉴，因此，一股不作为研究霞点。( 8 ) 力反馈计算力反馈计算模块根据手术对象的物理属性和变形，计算出用户受到的反馈力，并将反馈力传递给力反馈设备。这部分和变形计算紧密十h 关，真实的反馈力建立在合理的力反馈模型基础上。不但反馈力的大小和方向要符合实际，而且应具备连续性。反馈力的频率达到3 0 0 赫兹以上才能给用户可信的受力感觉。单纯依靠变彤计算无法得到如此高的反馈频率，d a n i e l 提出了反馈力代理技术计算变形计算周期内部的反馈力1 1 8 1 。( 9 ) 并行计算控制虽然以上各个模块相互依赖，但可同时运行以提高系统运行效率。利用多线程技术或分布式计算技术，可以大幅度提高系统运行效率和交互的实时性。例如高频6第一牵引言力反馈模块可以在客户机上运行，而变形计算和图形渲染可在多处理器工作站上运行等。1 4 国内外研究动态目前，国内外己经有很多研究机构对手术仿真系统进行了广泛的研究和实践。手术仿真系统满足虚拟现实系统所具有的3 i 特性，即沉浸感( i m m e r s i o n ) 、真实感( i m a g i n a t i o n ) ；f l l 交互性( i n t e r a c t i o n ) 。实时的交互性和真实感的虚拟场景，能给操作者提供一种身临其境的感觉。在诸多相关研究中比较有代表性的有i n r i a 的s t e p h a n ec o t i n 等对肝脏在手术仿真中变形的研究田，a n d r e wb m o r 在切割单元分裂方法方面的研列1 6 1 和瑞士e t h 的d a n i e lb i e l s e r 等关于软组织切割的研究h ”。s t e p h a n ec o t i n 对v i s i b l eh u m a n 数据库巾人体肝脏的断层图像的处理和重构，得到以四面体为基元的肝脏的体模型。在仿真过程中，若检测到手术器械和模型中的四面体的碰撞，则去除碰撞到的四面体，然后更新整体刚度矩阵和质量矩阵，继续进行切割。但这种做法的局限是在切割发生的部位组成模型的四面体必须非常小，和计算的实时性要求相矛盾。在后来的研究中，作者放弃了基于刚度矩阵的变形求解方法，提出了张量质量( t e n s o r - m a s s ) 模型【1 1 。模型将整体剐度离散到几何模型的顶点和边上，从而避免了重新计算组合刚度矩阵的巨大时间花费。a n d r e wb m o r 针对切割单元的分裂算法提出了最小子集法，克服了一般单元分裂方法产生过多细小单元的问题。此后，作者在单元分裂时机方面提出了临时分割的概念和基于s n a p p i n g 方法的交点替换策略f l ”，增强了切割仿真的真实性和模型的稳定性。d a n i e lb i e l s e r 的研究着重于软组织在切割时的拓扑变化和形变，其研究对象为一个用长方体表示的软组织，该体模型又进一步被分割为以四面体为基本单元的规则结构体。刀具被抽象为一条线段，在检测到刀具与软体的碰撞后，刀具运动的起止位置所决定的平面既为切割平面。通过对切割算法的发计和计算模型的应用，来仿真软体的切割过程。在四面体分裂算法方面，他提出了规缝切割法刚、无缝切割法【1 酌和状态机方法【2 “。日本京都大学的m e g u m in a k a o 在动脉血管的触觉仿真研究中，通过体渲染方法获得较好的视觉反馈效果。系统采用了总体刚度矩阵计算组织形变，用两台力反馈设备实现触觉模拟。在切割方面，作者在最小子集分裂方法的基础上进一步简化了分裂类型的数目，从而达到减少不稳定单元数量的目的【7 1 。另外，u n i f o r m e ds e r v i c e su n i v e r s i t y 的v m el a b 对人体骨穿刺做了深入的研裂3 3 l 。上述研究进一步表明，手术仿真系统不仅要求实时的图形交互，而且，模型必须能体现真实人体器官或组织的行为特性。在实际的研究中，由于人体组织的复杂7青岛大学硕士学位论文性、多样性，相应器官和组织的物理参数难以获得，因此完全真实的建模很难实现。在一个手术仿真系统巾，建模往往是最基础的也是最为关键的一个环节。许多研究人员在手术仿真系统的建横，l 作了大量工作。手术仿真系统对交互速度的要求使得计算模型和变形计算优化也越来越被重视。切割是外科手术中常见的种揉作，对切砉4 的仿真也成为非常具有挑战性的课题。切割的引入意昧着几俺模型在特定的操作下可以随时改变自身的拓扑关系。在拓扑计算完成后，必须依照生理模型来计算相关的其他组织器官的变化。模型切割的算法不仅要考虑切割算法本身的计算时间，而且要从今局m 发，在改变模型拓扑结构产生新的体元素的同时，要考虑到新增加的体元素的数量时后续计算实时性的影响，尽量减少新增体元素的数量，周时尽量保证图彤绘制上的。致性和连贯性。1 5 本文的主要工作本文主要做了以下工作：第一章为绪论，介绍了本课题研究的理论意义与应用前景，总结了近几年来国内外在手术仿真中软组织切割仿真研究方匝所取得的研究成果和现状，并简要介绍了本课题的主要研究内容。第二章首先讨论了手术仿真系统中对象几何模型的构建，其次详细介绍了构建几何模型对象的主要数据结构，为后面的软组织切割仿真做好准备工作。第三章为手术仿真系统中的软组织切割仿真。首先介绍了原有的切割算法，然后介绍了待切割四面体检测方法，最后着重讨论了本文提出的软组织切割算法。该算法分两步进行，第一步将切割到的四面体进行细分( s u b d i v i s i o n ) 操作，第二步将细分处理后的切割四面体进行分裂( s p l i t t i n g ) ，最终实现了软组织的切割。第四章为提高仿真系统稳定性处理，本文采用s n a p p i n g 方法来提高切割中产生的四面体单元的质量，从而达到提高仿真系统稳定性的目的。第五章对本文的工作进行了总结，并展望- 手术仿真系统中软组织切割仿真在今后韵研究方向。8第二章仿真系统中的几何建模和数据结构第二章仿真系统中的几何建模和数据结构研究对象的建模是手术仿真系统研究的关键问题和前提。由于手术仿真系统对于真实感反馈和实时处理的要求，建模要综合考虑真实性和交互性。几何建模从医学图像集出发，通过计算机视觉技术得到研究对象的几何轮廓和相关内部信息，构成模型的空间几何表示，是一切拓扑改变和几何变形的研究基础。目前国内已经获得了多套人体断层数据集，对这些图像数据的分析利用也已经大规模展开。虚拟人数字图像的三维重建是目前的一个研究热点问题，是一个多学科交叉的研究领域，是计算机图形学和图像处理在生物医学工程中的重要应用。它涉及数字图像处理、计算机图形学以及医学领域的相关知识。三维重建在诊断医学、手术规划及模拟仿真、整形及假肢外科、放射治疗规划、解剖教学等方面都有重要应用。因此，对- - f i e 重建的研究，具有重要的学术意义和应用价值。在手术仿真系统中，构建切割对象体模型的数据结构也非常关键。数据结构构建的合理，不但有利于编程实现，而且可以提高运行效率。本文所设计的手术仿真系统使用p q 面体单元构成的体模型作为软组织模型。四面体单元的有限元模型构造公式简单，并且在切害4 后容易分裂成子四面体。本文采用面向对象的编程思想，抽象出五个关键类：顶点类c v e r t e x ，边类c e d g e ，面类c f a c e ，四面体类c t e t r a 和软组织物体类c s o a o b j e c t 。每个类包含相应的几何、物理等信息和指向拓扑相关的其它类的指针。在软组织变形、切割等计算中经常要进行相关信息的查找。这些相关指针可以加速查找过程。本章的第二部分将重点讨论对象体模型的数据结构。2 1 几何建模软组织的几何建模是手术仿真系统的前提。虚拟手术中几何模型从医学人体数据出发，通过可视化算法得到研究对象的几何轮廓和相关内部信息，然后运用计算机图形学的知识以及相关算法，在计算机中构造出逼真的三维器官模型。医学图像几何建模分为面模型和体模型两种。体模型是用相应的充满整个模型空间的三维单元体来构造模型。面模型是指用表面网格模型来研究对象。在表现变形方面，面模型不能很好的模拟出对象的物理属性。特别对于手术仿真中的切割和缝合操作，由于存在几何及拓扑上的变化，体模型比面模型更加适合手术仿真系统。在已有的研究中，h a n w e nn i e n h u y s 等采用面模型建立几何模型，如图2 1 所示，该法实现了手术仿真中的交互性软组织切割仿真，但是切割效果不够理想；b r o n i e l s e n 在对小腿软组织变形的研究中采用以四面体为基元的体模型，c o f i n 对肝脏变形的研究中采用体模型，表现效果真实感强，能较好的处理切割仿真。9青岛大学硕+ 学位论文2 1 基于面模型的软组织切口在手术仿真系统中，通常选用四面体作为几何建模的基元。这是因为在软组织切割仿真中，模型的拓扑结构要发生变化，并且切割过程有较强的任意性，四面体是非结构化的基元，可以满足切割前后基元一致的要求。2 。1 ，1 几何建模的基本方法在手术仿真系统研究巾，几何建模的基本流程是大致相同的。从一股手术仿真系统的构成看，几何模型的建立一股由如下几个步骤州构成。如图2 2 ：l 医学嘲像数据集上i 轮廓线的提取0简化上拓扑重掏0几何重构图2 2 几何建模的流程( 1 ) 医学体数据集：从医学图像集( c t 扫描、m r i 、x 射线、n l m 数据库等) 中获得研究对象的相关数据集；( 2 ) 轮廓线的提取：得到数据集中的等值面信息，；1 0第二章仿真系统l t 的几何建模和数据结构( 3 ) 简化：考虑模型的复杂程度和仿真的实时性与真实性要求，简化轮廓线；( 4 ) 拓扑重构：对三维断层数据集中的每一断层上的轮廓线进行分类，确定各轮廓线所属的实体，构造分类图表示层问轮廓线的拓扑关系( 5 ) 几何重构：将简化的轮廓线信息进行断层间几何信息重构并单元化。几何建模对医学图像数据集原始数据的质量要求较高。以人体切片图像数据集为例，图像的分辨率和切割厚度对后续的轮廓线提取工作影响相当大。较低的切片质量会降低轮廓线提取算法提取效果，从而导致几何模型的失真程度过大。因此一定要选用精确度较高的图像作为原始数据采集。轮廓线提取是一种重要的图像分割技术应用，被广泛应用于气象图分析、计算机视觉和自动识别等领域，医学图像分割算法的研究是当前一个研究热点，同时也是手术仿真系统研究的重要组成部分。目前普遍的自动提取算法有s n a k e 方法和水平集方法等。由于软组织的几何轮廓较为复杂，且组织边缘处存在韧带、脂肪等组织，边界较为模糊，自动分割难度非常大，所以现阶段火多依然采用手动分割或半自动分割。但无论采用何种分割方式，所得到的组织边界均为离散化边界。拓扑重构和几何重构两部分构成了断层数据的重构过程的重要阶段。拓扑重构主要表示断层上轮廓线的相对位置，用分类图表示层间轮廓线的拓扑关系，是整个断层重构的基础。几何重构一般采用一种网格单元生成算法，在等值面之间生成结构化单元。目前主要的算法有体积最大法【9 】、最短对角线法、c o o k 法和相关性算法。图2 3s t e p h a nc o t t n 等建立的人体肝脏模型s t e p h a nc o t i n 等对人体肝脏的进行了建模，如图2 _ 3 所示。其建模步骤口1 如下：首先由m a r c h i n gc u b e s 算法得到肝脏外表面的三角形化模型。由于此算法褥到的面模型过于复杂，所以再用s i m p l e xm e s h 进行网格简化。最后运用基于d e l a u n a y v o r o n o i 算法的s i m a i l 软件将其四面体化，得到需要的体模型。m o r t e nb r o n i e l s e n 等选择人体小腿作为研究对象，其建模方法为：首先用m v o x 软件抽取体素数据中的皮肤和骨骼的外轮廓，然后用n u a g e s 生成三维的四面体网络模璎4 l i s 】。l i青岛大学硕： 学位论文2 1 2 本文采用的几何建模方法几何建模步骤的实现既可以采用现有的一些算法，也可以直接使用当前比较成熟的建模软件。由于本文研究重点为软组织切割仿真，因此以现有的应用软件( a m i r a ) 为建模手段，快速建立高质量的几何模型，从而为切割仿真研究提供可靠的对象支持。2 1 2 1 几何建模工具几何建模软件a m i r a 是一个集图像处理、几何建模和模型分析等多种功能的应用程序软件。其中，图像处理综合了主动轮廓线方法等图像分割方法。利用这些封装好的软件功能模块，使用者可以很快根据系统需要半自动地获取图像的轮廓线信息。以肝脏的轮廓线提取为例，其组织分为多层结构。如果要建立符合显示应用的手术仿真系统，必须首先认识对象本身：由于此方西涉及医学领域知识，对于一般系统开发人员来讲，掌握人体组织的结构有定的难度，这部分工作应当在医疗工作者的指导下才能完成。由于本论文的研究重点在于软组织的切割仿真，而且模型的过度复杂会影响切割仿真的实时性，所以可以忽略医学专业知识基础，构造出一个外观基本上能够反映对象特征的简单几何模型。2 1 ，2 2 具体建模步骤本文使用a m i r a 建模工具建立人体软组织几何模型的步骤如下：( 1 ) 参照感兴趣组织对象的解剖知识，大致上确定图像中组织的轮廓并做出标记。( 2 ) 根据这些标记采用合适的图像分割算法( 如气球模型、s n a k e 模型等) 在图片上自动识别组织的区域，计算出较为粗略的轮廓线。( 3 ) 最后利用微调工具对轮廓线作手丁修改，直到调整为能够接受较为细致的组织轮廓线，再对其它的图片做类似处理。总之，这秭轮廓线提取方法过程比较繁琐，是仿真系统达到真实感要求的关键工作。2 1 2 3 几何模型效果图按照前呵的步骤，利用a m i r a 软件建立的人体肝脏模型如图2 4 所示。从图示上看，肝脏结构复杂的地方网格分布比较密集。模型四面体单元数量适中，在真实性方面能够满足软组织切割仿真的需求。1 2第二章仿真系统中的几何建模和数据结构( a ) 肝脏模型网格图( ”加上光照、渲染后的肝脏模型图2 4 人体肝脏模型为了便于手术仿真系统装载软组织几何模型，几何建模的结果通常应当具有一定得格式和内容要求。本文巾的几何建模过程中首先将体模趔导山为可读的文本格式，再进行格式转换和坐标变换，最后把采用软件初步建立几何模型转换为手术仿真系统能够采用的格式标准和尺度，以备系统应用进程调用。2 1 3 几何模型存在的问题切割仿真系统要求几何模型满足较高的真实性和稳定性要求。在真实性方面，由于医学图片精确度| j 艮制，模型只能满足一般系统的仿真要求，离实际手术训练的仿真系统的还有一定的差距。在稳定性方面，a m i r a 软件自动生成的面模型和四面体通常会f j 现两面角过小或过大的情况，不利于变形计算和切割仿真中的稳定性。可以采用d e l a u n a y 方法重新四面体化面模型，从而解决此问题。2 2 手术仿真中的数据结构由于手术仿真系统比较复杂，数据量较大，交互性强等特点，在仿真系统的软件实现过程中，本文始终采用面向对象的程序设计方法。根据系统对象类型分析，可以得出许多类对象的定义。如人体软组织类、手术器械类、用户观察者类、手术环境场景类等。由于碰撞检测的对象是人体软组织和手术器械，本论文重点介绍人体软组织类的数据结构。软组织模型由5 个类构成：顶点类c v e r t e x ，边类c e d g e ，面类c f a c e ，四面体类c t e t r a 和软组织物体类c s o f t o b j e c t 。每个类包含相应的几何、物理等信息和指向拓扑相关的其它类的指针。在软组织变形、切割等计算中经常要进行相关信息的查找。这些相关指针可以加速查找过程。青岛大学硕士学位论文2 2 1 顶点类c v e r t e x几何模型中最基本的元素，不仅包含了基本的空问位置信息和质量等物理信息，还包含了引用它的几何元素( 边、四面体单元) 信息，从而能够较好的适应切割引起的拓扑结构变化。为了简洁，本文只将顶点类中与切割相关的核心数据项做介绍。顶点类c + + 定义如下：c l a s sc v e r t e x ：p u b i cd l i n k e d l i s t e l e m e n tlp u b l i c ：f l o a tx 【3 】；顶点当前位置b o o la t t a c h e d ；顶点是否依附于边或蕊i ma t t a c h m e n tt y p e ；e l e m e n t _ t y p ee d g e 或者e l e m e n tt y p ef a c ev o i d * a t t a c h e de l e m e n t ；指向依附的元素b o o ls p h t ；，顶点是否被分离为两个新顶点c v e n e x * s p l i t _ v e r t i c e s 【2 1 ；存放分裂得到的两个新顶点i mi n t e r s e c t e d ；顶点是否被切割面扫过，0 没有相交f r o me d g e 一顶点由边交点转化而来f r o m f a c e 一顶点由边交点转化而来b o o lo n s u r f a c e ；顶点是否在表衙f l o a tn o r m a l 3 ；绘制图像时的平均法向量d l i n k e d l i s t p t re d g e s ；引用该顶点的边链表d l i n k e d l i s t p t r t e t r a s ；引用该顶点的l 瞒时四面体链表，仅用于s p b t l i n g 操作b 0 0 1p r o c e s s e d ；顶点是否坡处理，其苹，d l i n k e d l i s t e l e m e n t 是双向链表单元类，d u n k e d l i s t p t r 是由指针构成的双向链表类。s p l i t 。a t t a c h e d 和a t t a c h m e n t _ t y p e 将在第3 章中介绍和使用。2 2 2 边类c e d g e每条边有两个顶点，可能被多个四面体引用。边与刀具的扫略面相交形成边交点，边交点的位子用参数坐标表示。边类c + + 定义如下1 4蔓三童堕壅墨丝尘塑些盟堡塑塑墼塑堕塑c l a s sc e d g e ：p u b l i cd l i n k e d l i s t e l e m e n t(p u b f i c ：b o o lp r o c e s s e d ；，该边是否被处理b o o la c t i v e ；，该边是否为活动的b o o li n t e r s e c t e d ；，该边是否被刀锋面扫过f l o a t ：交点参数坐标p = ( 1 - u ) * v e r t i c e s 0 + u v e m c e s 1 b o o lg u b d i v i d e d ；该边是否己被s u b d i v i d e de d g e s u b d i v i s i o n i n f o * s n b j n f o ；s u b d i v i s i o n 信息b o o la t t a c h e d ；该边是否依附于其它边或面b o o ls p l i t ；该边是否被分裂为两条新边c e d g e * s p l i t _ e d g e s 2 ；指向分裂得到的两条新边b o o ll i n k e d ；该边是否为一个边分裂所得c v e r t e x * v e r t i c e s 2 ；构成该边的两个顶点d l i n k e d l i s t p t r t e t r a s , 引用该边的四面体链表l ；其中p r o c e s s e d 和a c t i v e 是临时处理标志，将在变形、碰撞检测等算法中得到使用。a t t a c h e d i n t e r s e c t e d ，s u b d i v i d e d ，u ，s p h t 和s p l i t _ e d g e s 将在第3 章切割算法中介绍和使用。2 2 3 面类c f a c ec l a s sc f a c e ：p u b l i cd l i n k e d l i s t e l e m e n tp u b f i c ：b o o lp r o c e s s e d ；，该面是否被处理b o o li n t e r s e c t e d ；该面是否与却t r a j e c t o r y 相交f l o a tu 0 。u l ；面交点参数坐标p = - u o * v e r t i c e s o 】+ u l v e r t i c e s 1 + ( 1 u o - u 1 ) + v e r t i c e s 2 】b o o lo n s u r f a c e ；，在切割前该面是否在切割对象表面b o o ls u b d i v i d e d ；该面是否已被s u b d i v i d e df a c es u b d w i s i o n _ i n f o * s u b _ i n f o ；s u b d i v i s i o n 信息b o o la t t a c h e d ；该而是否依附于另一个面b o o l s p l i t ；该面是否被分裂为两个新面1 5青岛大学硕士学位论文c f a c e + s p h tf a c e s 2 ；b o o lf i n k e d ；c v e r t e x4 v e