1 关键技术
1.1 医学数据处理
主要包括数据存取数据预处理。对于医学仿真系统来说, 医学数据存取I/O模块是进一步数据处理的基础。I/O模块需要对常见的医学图像种类提供存取和显示功能。在I/O模块存取医学图像之后需要对原始图像中感兴趣的部分进行提取和数据预处理, 然后才能进行下一步的三维重建和可视化处理。这里需要一些预处理技术, 比如图像增强、边界提取、分割和配准等等。Insight Segmentation and Registration Toolkit (ITK) [2], 是一个开源软件系统, 广泛的用于医学图像数据集的分割和配准。
1.2 三维重建
经过数据预处理阶段以后, 需要进行进行三维体数据可视化。最常用的绘制技术包括面绘制和体绘制。面绘制根据采样值的分布变化确定物体的边界, 然后用适当的数学方法描述物体表面, 进而表现器官和软组织表面特征。体绘制在不构造物体表面几何描述的情况下, 直接对体数据进行显示, 可以不同的程度表现物体的细微结构变化[3,4]。面绘制通常比体绘制速度要快, 但需要避免出现一些绘制错误的发生。常用的算法是移动立方体Marching Cubes[5]及其变形。Visualization Toolkit (VTK) [6]是一个常用的三维数据可视化显示的开源工具库。
1.3 变形模型
仿真的真实感很大程度上取决于仿真的准确性和变形模型下的计算效率。变形模型应该能够准确的模拟器官和软组织被刺戳、拉伸、切割时引起的形变, 并在绘制的时候保持必要的实时性。物理模型能够体现物理的材料特性。在手术仿真中, 质点弹簧模型和有限元模型是最经常使用的两种三算法。离散的质点弹簧模型计算复杂度低且易于实现。有限元模型对连续特征进行严格的数学分析来进行机械建模, 从而得到了较好的仿真精度, 但是会产生较大的计算量。
1.4 碰撞检测
在手术仿真过程中, 虚拟手术器械和虚拟器官之间的碰撞检测至关重要。层次包围盒方法经常用于碰撞检测, 包括沿坐标轴的包围盒 (AABB) 、包围球 (SBB) 、方向包围盒 (OBB) 等。为了保证碰撞检测的实时性和精确性, 在此可以考虑采用混合模型算法, 将OBB和AABB结合起来发挥各自不同的优点。AABB首先用来初步检测碰撞是否发生, 如果发生了碰撞再用OBB进行精确检测。否则, 在采用OBB算法之前碰撞检测结束。
1.5 虚拟切割
在仿真手术过程中, 对虚拟手术刀、超声波刀这些虚拟手术器械的使用无疑将会对医科学生或者新医师在今后实际手术操作中起到极大的帮助作用。通常虚拟切割分为累进切割和非累进切割两种。非累进切割在手术刀切割并离开伤口后才将伤口割开, 而在从开始切割到手术刀离开之前的过程中不显示伤口被且隔开的效果。所以在手术刀运动位置和切割效果之间产生了一个较为明显的延迟。累进切割解决了这个延迟的产生, 它在切割过程中实时的显示出伤口切开的效果。但是也随之增加了时间复杂度和对临时分割的存储管理的复杂度。将累进切割和非累进切割结合起来发挥它们各自的优势, 将会成为设计虚拟切割算法的一个不错的选择。
1.6 触觉反馈
同任意物体的触觉交互是手术仿真的一个不可或缺的基本功能。通过触觉反馈界面, 训练者可以在手术仿真过程中感觉到接触或者力反馈的效果。这样, 训练者就会在一个由计算机和专业设备搭建的虚拟手术环境中体会到了同真实手术一样的触觉效果。目前, 触觉反馈设备已经用来进行更真实和实时的模拟操作。VR系统中常用的触觉反馈设备有Sensable公司的PHAN-TOM和3Dimmersion公司的CyberForce等等。通常, 采用PHANTOM设备, 和其提供的GHOST API来产生对三维可变形器官和软组织的切割产生的触觉反馈效果, 这样的设备能提供1kHz的触觉反馈更新输出。
1.7 仿真内核
在手术仿真过程中, 各种任务将协同工作, 仿真内核在其中起到了一个控制中心的作用。仿真内核的主要作用包括任务调度、协调交互操作、模块之间的交流信息分发以及资源配置管理等等。这些需要建立执行顺序、各个模块之间的同步和连接并且需要明确制定出模块间的接口。
2 总结和展望
准确性和实时性是虚拟手术系统至关重要的性能指标, 良好的系统架构和功能模块的设计将为此提供必要的保障。最后设计的测试计划, 将从系统的可用性和效果进行评价。进一步的系统开发是我们接下来的工作, 我们相信虚拟手术必将会为外科手术训练和制定术前计划提供积极的帮助作用。
摘要：虚拟手术仿真系统由于其显而易见的重要性得到了医学界的广泛重视, 本文对虚拟手术系统的关键技术进行了深入研究, 对其系统架构、主要功能模块进行了论述。相信该研究工作将能够为搭建虚拟手术系统平台提供重要的技术支持。
关键词：研究,虚拟手术,仿真
参考文献
[1] Lange T, Indelicato DJ, and Rosen JM.Virtual reality in surgical training[M].Surg Oncol Clin N Amer, Jan2000, 9 (1) :61～79.
[2] ITK insight segmentation and regis-tration toolkit.[Online].Available:h t t p://w w w.i t k.o r g/
[3] Levoy M.Display of surfaces from volume data[J].IEEE Computer Graphics and Applications, 8[3], May1988:29～37.
[4] Westover LA.Footprint evaluation for volume rendering[J].ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 24[4], 1990:367～376.
[5] LORENSEN W.E., and CLINE H.E.Marching cubes:A high resolution3d surface construction algorithm:Proc of SIGGRAPH'87[C], ACM Press, 21 (4) , July1987:163～169.
[6] VTK the Visualization Toolkit.[Online].Available:http://www.vtk.org