虚拟手术是虚拟现实结合外科手术所产生的一种新技术,是计算机图形学在外科手术训练中的重要应用。随着计算机技术和虚拟现实技术的发展,虚拟手术在现代外科手术教育与训练中发挥着越来越重要的作用。虚拟手术为外科医生提供了一种低风险、低成本的医学手术训练方案,因此国内外各个研究机构都在广泛开展这方面的研发工作。在虚拟肝脏手术系统中,血管的结扎是关系到手术成败非常关键的一种操作,本文的研究重点在于虚拟肝脏手术系统中的血管结扎仿真模块。该仿真模块主要包括了视觉、触觉、缝合线的模拟、结扎仿真中的碰撞检测以及结扎仿真中的形变与力反馈等五个方面的内容。为了对虚拟肝脏手术系统中的血管结扎进行仿真,本文首先采用FTL(Follow The Leader,跟踪控制点)算法来模拟缝合线,通过设置“安全边缘参数”来实现缝合线的“等效摩擦力”,使用Cardinal样条曲线来平滑缝合线。其次,提出了一种改进的碰撞检测算法,改进的碰撞检测算法主要包括两个方面:缝合线的自碰撞检测以及缝合线与血管的碰撞检测。具体来说,采用包围球法对缝合线进行自碰撞检测;提出运动分解方法来防止缝合线发生自穿透;将包围球法和空间网格划分法相结合,实现缝合线和血管之间的碰撞检测。再次,血管的形变采用设置刚体核的弹簧振子模型来模拟,以防止血管发生形变失真,同时提出了一种新的基于血管形变的力反馈计算模型来实现血管结扎时的触觉反馈。基于以上工作,本文提出了一种基于力反馈的血管结扎仿真算法,并将其运用到虚拟肝脏手术系统中,实现了该系统中血管的结扎仿真,同时仿真的结果符合真实性和实时性的要求。
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