CN109308739A - 一种基于虚拟现实的软组织微创手术训练方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟现实的软组织微创手术训练方法，可使用户操作力反馈设备对软组织进行微创穿刺或钳拉，包括如下步骤：1、对病人腹部CT图像逆向建模；2、对模型优化处理；3、对模型进行有限元穿刺仿真；4、在Matlab软件中处理有限元仿真结果，与实验结果对比，验证模型正确性；5、在Microsoft Visual Studio 2013软件中完成模型导入、场景渲染、碰撞检测、变形算法、力反馈设备数据输入输出等模块设计，实现用户通过力反馈设备与虚拟场景交互的功能。本发明通过建模仿真来精确模型，能够提高***精确度，采用体素八叉树及有限元算法，提升碰撞和变形精确度和实时性，通过外接力反馈设备准确感知虚拟力，有效增强沉浸感。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于虚拟现实的软组织微创手术训练方法，涉及虚拟现实、材料力学、有限元分析、计算机视觉、碰撞检测等技术。
背景技术
在医学领域，由于医生手术失误导致的医患问题层出不穷，但是医学训练是一个时间漫长且花费昂贵的过程，因此医患问题一直是个难以缓解的矛盾问题。随着虚拟现实技术的发展，多种多样的虚拟手术训练***应运而生，例如胆结石、肾结石微创手术，由于对人体创伤小、术后恢复快，成为胆结石、肾结石手术的第一选择，因此虚拟微创手术训练***作为辅助医疗手段具有广阔的应用前景和研究价值。
虚拟微创手术训练***的基本任务是确定手术器械与软组织是否发生碰撞与穿刺，产生逼真的变形效果，实时进行精确的力反馈交互，以此提高用户的沉浸感。但是由于软组织力学特性复杂，现有的手术仿真大多采用弹簧-质点模型，模型精度较低，碰撞检测多采用包围盒或层次包围盒法，计算量大，难以同时满足虚拟手术的准确性和实时性要求。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于虚拟现实的软组织微创手术训练方法，能够使训练者不仅具有视觉体验，还能够拥有符合实际的力觉体验；对于复杂的人体软组织，采用超粘弹性力学模型，进行有限元仿真验证模型精确度，在Microsoft Visual Studio中利用体素八叉树碰撞算法和有限元变形算法实现视觉和力觉功能，从而提高训练***的沉浸感和真实感。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于虚拟现实的软组织微创手术训练方法，包括如下步骤：
(1)三维建模
(11)采集患者前腹部薄层CT图像，在Materialise公司设计的Mimics软件中进行逆向建模，得到软组织三维模型；
(12)在Geomagic公司设计的GeomagicStdio12软件中对经步骤(11)得到的软组织三维模型进行优化处理；
(13)在SolidWorks公司设计的SolidWorks软件中建立手术器械三维建模；
(2)有限元仿真验证
(21)在ANSYS公司设计的AnsysWorkbench软件中对经步骤(12)得到的软组织三维模型进行有限元穿刺仿真，即对软组织进行四面体网格划分并通过拟合得到材质赋值，再根据手术器械的外部载荷力及软组织的边界限定，计算准静态下软组织的位移、力、应变和应力，根据计算结果调整材质赋值的拟合参数，直至计算结果符合目标值，形成软组织力学模型；
(22)在MathWorks公司设计的Matlab软件中对经步骤(21)得到的软组织力学模型进行曲线拟合，对比试验曲线，验证软组织力学模型的准确性：若准确性达到目标阈值，则进入步骤(3)；否则，返回步骤(21)；
(3)碰撞与变形训练
在Microsoft公司设计的Microsoft Visual Studio 2013软件中，利用Opengl视觉库和Chai3d力觉库构建虚拟手术场景，利用外部Geomagic Touch力反馈设备来映射手术器械；导入经步骤(1)建立的软组织三维模型和经步骤(2)验证的软组织力学模型，利用稀疏数组的体素八叉树碰撞算法完成手术器械和软组织的碰撞检测，利用有限容积法完成软组织变形计算，最后渲染变形后的软组织并输出应力和应变；
(4)模型验证
在MathWorks公司设计的Matlab软件中对步骤(3)产生的应力-应变数据进行曲线拟合，对比试验数据，验证训练的精确度。
具体的，所述步骤(11)中，根据灰度阈值在Materialise公司设计的Mimics软件中进行逆向建模，使用3-Matic对所建模型进行预处理。
具体的，所述步骤(12)中，在Geomagic公司设计的GeomagicStdio12软件中对所建模型进行优化，优化过程包括表面补漏、网格细化和平滑处理，优化后的模型为3DS格式的模型文件。
具体的，所述步骤(21)中，在ANSYS公司设计的AnsysWorkbench软件中对三维模型进行有限元穿刺仿真，具体包括如下步骤：
(211)将三维模型导入ANSYS公司设计的AnsysWorkbench软件中；
(212)在ANSYS公司设计的AnsysWorkbench软件中对三维模型进行四面体网格划分；
(213)根据试验数据对三维模型进行材质赋值，完成手术器械及软组织载荷施加；
(214)对有限元穿刺仿真条件进行设置，包括增广拉格朗日算法、大变形开启、接触设置和残余误差；
(215)完成有限元计算，输出软组织的变形图和应变-应力数据结果。
具体的，所述步骤(22)中，在MathWorks公司设计的Matlab软件中采用最小二乘法拟合位移-力、应变-应力曲线，并完成试验数据的对比。
具体的，所述步骤(3)中，在Microsoft公司设计的Microsoft Visual Studio软件中进行碰撞与变形训练的实施过程如下：
(31)将经步骤(2)验证的软组织三维模型和手术器械三维模型导入MicrosoftVisual Studio 2013软件中；
(32)利用Opengl视觉库完成虚拟手术场景的可视化渲染；
(33)利用Chai3d力觉库完成力反馈与Microsoft Visual Studio 2013软件的数据通信；
(34)利用稀疏数组的体素八叉树碰撞算法完成手术器械和软组织的碰撞检测；
(35)利用有限容积法完成碰撞后的力检测和软组织变形渲染。
有益效果：本发明提供的基于虚拟现实的软组织微创手术训练方法，相对于现有技术，具有如下优势：1、软组织的三维建模来源于真实CT数据，通过逆向建模最大程度保证模型的精确度，具有良好的视觉效果；2、软组织的力学模型来源于试验数据，通过有限元仿真验证模型的准确性，最大化的保证用户力觉体验；3、碰撞算法采用稀疏的体素八叉树算法，与传统包围盒和空间算法相比，有效提高仿真精确度和实时性；4、变形算法采用改进的有限元法(FVM)，并且改进后可以任意代入材料力学模型，通过改进的弹塑性算法迅速达到变形效果，具有简单、高效的特点；5、通过PC机外接Geomagic Touch力反馈设备，模拟虚拟场景中的手术器械，使用户操作力反馈设备来获得真实力觉体验。
附图说明
图1为本发明的实施流程图；
图2为软组织的三维示意图；
图3为Morton码原理图；
图4为稀疏数组的体素八叉树结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种基于虚拟现实的软组织微创手术训练方法，包括三维建模、有限元仿真、手术仿真三大部分，下面就各个部分进行具体说明。
一、三维建模
采集患者前腹部薄层CT图像并导入Materialise公司设计的Mimics17.0软件中，采用灰度阈值分割法提取所需部位，在3-Matic软件中进行优化(预处理)，最后在Geomagicstdio12软件中生成曲面及实体，导出3DS格式的模型文件，如图2。具体流程如下：
(11)在Materialise公司设计的Mimics17.0软件中导入病人腹部CT数据；
(12)采用灰度阈值分割法提取肾脏部位轮廓；
(13)手动编辑边界蒙版，删除不相连组织，计算出三维模型；
(14)从Materialise公司设计的Mimics17.0软件中导出模型到3-Matic软件中，细化模型表面网格，再导回Mimics17.0软件中；
(15)从Materialise公司设计的Mimics17.0软件中导出点云文件到Geomagic公司设计的Geomagic stdio12.0软件中，进行表面补漏、网格细化和平滑处理，导出3DS格式的模型文件。
二、有限元仿真
利用有限元软件对软组织进行四面体网格划分，材质赋值为粘弹性、超弹性和复合模型，并导入手术器械的3D模型，对手术器械施加材料及载荷条件，完成微创穿刺仿真，计算得到软组织形变图并输出数据，具体流程如下：
(2.1)模型导入：将模型导入ANSYS公司设计的Ansys workbench软件中，并进行体网格划分。
(2.2)材料赋值：对软组织的弹性模量、密度等材质赋值，考虑所选肝脏材质的复杂力学特性：当应力较小时其呈现超弹性特性；当突破临界点时，其呈现粘弹性特性；综合考虑后，选择超弹性和粘弹性结合的复合模型。
(2.3)有限元建模：对软组织模型施加载荷边界约束，对手术器械施加载荷力，求解在不同载荷下的软组织应力-应变数据和变形结果图。
(2.4)数据处理：根据应力应变数据，在MathWorks公司设计的Matlab软件中画出位移-力、应变-应力曲线图，与试验数据图对比，验证模型的正确性和准确性。
三、手术仿真
本案使用的软组织模型为复合模型，几何模型表面为非样条曲面模型，均可以有效提高仿真准确性，采用稀疏的体素八叉树算法可以有效提高碰撞检测的准确性和实时性，有限元法完成变形及力计算，采用改进的弹塑性算法，可以有效提高计算实时性。
3.1力反馈设备及开发环境
力反馈设备为Geomagic Touch设备，该设备适用多种开源软件开发包，比如：GHOST SDK、Openhaptics、Chai3d等，其中Chai3d力觉库是一个面向对象的开源库，封装了虚拟场景所需的相机、矩阵、碰撞、力反馈设备通信等多种类，用户可以进行自由的修改和开发。主要实施步骤包括：
(3.11)构建虚拟场景，并读入手术器械和软组织的3DS几何模型，再将图形刷新频率稳定在1000HZ，保证用户视觉体验；
(3.12)通过Chai3d力觉库实现设备与虚拟场景中手术器械映射、位置与力数据的通信功能，实现机械手柄在一定空间范围内的6维***；
(3.13)然后控制手术器械与组织碰撞，当手术器械触碰组织表面时，按下机械臂手柄按钮表示接触状态，施加穿刺力或者钳拉力；
(3.14)当软组织受到外部施加力，根据输入的应力-应变材料模型，有限元算法进行变形计算和力计算，将反馈力输出至机械手柄，同时OPENGL重构变形后的软组织模型，从而使用户得到视觉和力觉双重体验。
3.2碰撞算法
本案所用碰撞算法为稀疏的体素八叉树算法，该方法是一种单独在***外从三角形网格构造稀疏体素八叉树的算法，因为是在外核处理模型，所以可以花费时间高效的处理复杂模型，比如高精度复杂曲面模型、多顶点网格模型，减少***运行时的模型处理时间。该算法主要由三部分组成：体素化过程、稀疏八叉树构造过程、碰撞处理算法，具体流程如下：
(3.21)体素化过程
首先输入模型三角形网格，并生成以Morton码存储(如图3)的高分辨率的3D网格文件，此文件作为下一步构造稀疏八叉树结构的基础文件。生成高分辨率的3D文件过程由两个子过程组成：(i)分区过程(ii)实际体素过程。分区过程可以理解为对三角形网格边界框进行包围盒计算，然后以流方式将其划分为子网格存储；实际的体素化过程可以理解为对每一个子网格进行处理，用Morton码按照子网格顺序连续输出非空单元。
(3.22)稀疏八叉树构造过程
如图4，以上一步的高分辨率3D网格文件为基础，构造稀疏数组形式的八叉树结构文件。构造的核心思想是：Morton码对应于八叉树节点的后序深度优先遍历，这是指以从下至上的方法对高分辨率的3D网格文件来构造八叉树，在每一级的八叉树中，有8个3D节点，总共至少需要2d个队列(d为八叉树深度)。比如2048分辨率的模型，需要211个队列。该过程包括如下步骤：
①读入Morton码0-3并存储在层级2的队列中，其对应于层级2的叶节点。
②在层级1的队列中创建Morton码0作为父节点，存储Morton码0-3作为子节点并记录父子关系，将层级2中的非空节点写入到输出中并清除队列2。
③读入Morton码4-7并存储在层级2的队列中，其对应与层级2的叶节点。
④在层级2的队列中创建Morton码1作为父节点，存储Morton码4-7作为子节点并记录父子关系，将层级2中的非空节点写入到输出中并清除队列2。
⑤Morton码8-15以同样的方式处理，在此之后，层级1的队列包含层级1的内部节点0-3，层级2的队列被清空。
⑥创建层级0作为根节点，并存储Morton码0，记录层级0与1的父子关系，写入队列1的非空节点并清空队列。
⑦输出根节点并清空队列1。
优化构造过程的关键是在队列中直接***父节点，相当于队列整体向后推一个节点，从中间***父节点比***子节点更迅速。
此外核算法可以单独方便的将三角形网格模型构造成稀疏的体素八叉树模型，另外在体素化和八叉树构造过程中可以***颜色、法线和纹理坐标等顶点属性，减少***运行时对模型处理时间，有效提高手术***的实时性。
3.3碰撞处理
碰撞处理主要是手术器械与柔性体之间的碰撞，对于柔性体的自碰撞暂时不予考虑。具体流程如下：
(3.31)将体素单元镶嵌在八叉树单元中，完成对组织顶点及网格数据的存储；
(3.32)完成外部力反馈设备与手术器械的映射，使用户可以通过外部设备自由操作手术器械；
(3.33)判断手术器械与非空单元格的交集运算，若在一个单元格内，则进行基本元素(三角形、面、边)的碰撞检测，若否，则返回(3.31)；
(3.34)当碰撞发生，判定外部力大小，进入变形算法。
3.4变形算法
变形算法为有限容积法(FVM)，直接通过网格变形，并且可以通过直接输入应力应变矩阵表达任意材料模型，因此具有高效、简单、实时性好的特点。对于组织变形而言，通过一种改进的控制弹塑性变形算法，使组织在不牺牲现实行为的前提下，很容易实现小变形及大变形并快速达到最终理想状态。
变形算法主要分为应力和应变计算两部分，应力计算就是根据力反馈输入的力，确定四面体网格的节点力，应变计算就是根据节点力对四面体单元进行矩阵变换，完成边和法向量的变化。
四、模型验证
在MathWorks公司设计的Matlab软件中对应力-应变数据进行曲线拟合，对比试验数据，验证手术的精确度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于虚拟现实的软组织微创手术训练方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)三维建模
(11)采集患者前腹部薄层CT图像，在Materialise公司设计的Mimics软件中进行逆向建模，得到软组织三维模型；
(12)在Geomagic公司设计的GeomagicStdio12软件中对经步骤(11)得到的软组织三维模型进行优化处理；
(13)在SolidWorks公司设计的SolidWorks软件中建立手术器械三维建模；
(2)有限元仿真验证
(21)在ANSYS公司设计的AnsysWorkbench软件中对经步骤(12)得到的软组织三维模型进行有限元穿刺仿真，即对软组织进行四面体网格划分并通过拟合得到材质赋值，再根据手术器械的外部载荷力及软组织的边界限定，计算准静态下软组织的位移、力、应变和应力，根据计算结果调整材质赋值的拟合参数，直至计算结果符合目标值，形成软组织力学模型；
(22)在MathWorks公司设计的Matlab软件中对经步骤(21)得到的软组织力学模型进行曲线拟合，对比试验曲线，验证软组织力学模型的准确性：若准确性达到目标阈值，则进入步骤(3)；否则，返回步骤(21)；
(3)碰撞与变形训练
在Microsoft公司设计的Microsoft Visual Studio 2013软件中，利用Opengl视觉库和Chai3d力觉库构建虚拟手术场景，利用外部Geomagic Touch力反馈设备来映射手术器械；导入经步骤(1)建立的软组织三维模型和经步骤(2)验证的软组织力学模型，利用稀疏数组的体素八叉树碰撞算法完成手术器械和软组织的碰撞检测，利用有限容积法完成软组织变形计算，最后渲染变形后的软组织并输出应力和应变；
(4)模型验证
在MathWorks公司设计的Matlab软件中对步骤(3)产生的应力-应变数据进行曲线拟合，对比试验数据，验证训练的精确度。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的软组织微创手术训练方法，其特征在于：所述步骤(11)中，根据灰度阈值在Materialise公司设计的Mimics软件中进行逆向建模，使用3-Matic对所建模型进行预处理。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的软组织微创手术训练方法，其特征在于：所述步骤(12)中，在Geomagic公司设计的GeomagicStdio12软件中对所建模型进行优化，优化过程包括表面补漏、网格细化和平滑处理，优化后的模型为3DS格式的模型文件。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的软组织微创手术训练方法，其特征在于：所述步骤(21)中，在ANSYS公司设计的AnsysWorkbench软件中对三维模型进行有限元穿刺仿真，具体包括如下步骤：
(211)将三维模型导入ANSYS公司设计的AnsysWorkbench软件中；
(212)在ANSYS公司设计的AnsysWorkbench软件中对三维模型进行四面体网格划分；
(213)根据试验数据对三维模型进行材质赋值，完成手术器械及软组织载荷施加；
(214)对有限元穿刺仿真条件进行设置，包括增广拉格朗日算法、大变形开启、接触设置和残余误差；
(215)完成有限元计算，输出软组织的变形图和应变-应力数据结果。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的软组织微创手术训练方法，其特征在于：所述步骤(22)中，在MathWorks公司设计的Matlab软件中采用最小二乘法拟合位移-力、应变-应力曲线，并完成试验数据的对比。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的软组织微创手术训练方法，其特征在于：所述步骤(3)中，在Microsoft公司设计的Microsoft Visual Studio软件中进行碰撞与变形训练的实施过程如下：
(31)将经步骤(2)验证的软组织三维模型和手术器械三维模型导入Microsoft VisualStudio 2013软件中；
(32)利用Opengl视觉库完成虚拟手术场景的可视化渲染；
(33)利用Chai3d力觉库完成力反馈与Microsoft Visual Studio 2013软件的数据通信；
(34)利用稀疏数组的体素八叉树碰撞算法完成手术器械和软组织的碰撞检测；
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