带有力感觉的显微外科手术血管的仿真研究_曾妍文

基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(英文标注"Specialized Research Fund f or t h eDoct ora lProgram ofH i gherE du cation ",英文缩写“SRFDP ”);国家自然科学基金项目(50405018)收稿日期:2005-05-27 第23卷　第7期计　算　机　仿　真2006年7月 文章编号:1006-9348(2006)07-0214-05带有力感觉的显微外科手术血管的仿真研究曾妍文,许天春,岳龙旺,贠今天(天津大学机械工程学院,天津300072)摘要:随着虚拟现实技术的进步,带有力感觉的仿真研究迅速发展,特别是在医学上得到了广泛应用。

利用虚拟现实技术取代效率低下的常规培训,可以大大减少所需的培训时间和昂贵的动物实验费用。

针对复杂的显微外科手术的血管缝合,作者建立了可用于大夫培训、手术规划的虚拟现实系统。

其中的交互设备采用了具有力反馈功能的PHANTo M -Desk t op ,使用与之配套的GHOST SDK 软件开发包,建立虚拟环境。

考虑到柔性体仿真的实时性和真实性要求,采用了质量-弹簧模型的建模方法。

在完成了对虚拟环境中柔性平面仿真的基础上,成功实现了带有力感觉的显微外科血管穿刺的虚拟仿真。

关键词:虚拟现实;柔性体仿真;交互设备;力感觉;质量-弹簧模型中图分类号:TP391.9 文献标识码:AV irtual Sm i ul ati on of B lood V essel w ith Force Feeli ng i n M i crosurgeryZENG Y an -w en ,XU Tian -chun ,YUE Long -w ang ,YUN Jin -tian(Schoo l o fM echanica l Eng inee ri ng ,T ian ji n U niversit y ,T ian jin 300072,China )ABSTRACT :A l ong w ith the prog re ss o f virt ual rea lit y (V R )techno logy ,st udy on haptic si m ula tion ha s a rapid de -velop m en.t In particular it isw i dely used i n medic i ne .U sing t h is t echno l ogy t o replace so m e i neffic i ent conventi onal tra i n i ng can g reatl y reduce t he tra i n i ng ti m e and t he expensive ani m a l experi ments .A ccordi ng to t he co m plex vessel suturing in a m i c rosurg ica l ope ra ti on ,t he autho rs bu ild a virt ual realit y wh ich can be used as doc t o r tra i n i ng and oper -ati on l ayou.t The hapti c interface is PHAN To M -D esktop w it h fo rce feedback .A nd t he v ir t ual env iron m ent is set up by GHO ST S DK.T aking t he real -ti m e and rea lit y i n t o account ,m ass -spring mode l s is adopted i n soft tissue si mu -l a tion .Based on the defor m i ng si m u lati on o f a soft p l ane in a virt ua l env iron m ent ,t he vesse l pie rc i ng si m u lation w it h fo rce f ee ling is comp l e ted s uccessfully .KEY WO RDS :V irt ual rea lit y ;So ft tiss ue si m ula tion ;H aptic i n t e rface ;F orce fee li ng ;M a ss -s p ri ng m ode ls1　引言虚拟现实是计算机生成的给人多种感官刺激的虚拟世界(环境),是一种高级的人机交互系统。

虚拟现实由两部分组成:一部分为创建的虚拟世界(环境),另一部分为介入者(人)。

虚拟现实的核心是强调两者之间的交互操作,即反映出人在虚拟世界(环境)的体验。

其概念模型如图1所示[1]。

随着虚拟现实在技术上的日趋成熟,现已广泛应用于军事、航天、医学、教育、商业和自动控制等领域,日益显示出巨大的社会和经济效益。

其中,虚拟现实技术在医学领域中的应用正发展成为一个新的研究方向。

虚拟手术利用各种医学影像数据,采用虚拟现实技术,图1　虚拟现实的概念模型在计算机中建立一个虚拟环境,医生借助虚拟环境中的信息进行手术计划制定,手术演练,手术教学,手术技能训练,术中引导手术,术后康复等工作[2]。

目前,国外已经有许多研究机构对虚拟现实尤其是在虚拟医学手术仿真训练等方面都进行了一定的研究和实践。

比如,美国斯坦福大学计算机科学学院研究开发了软组织缝合的实时仿真系统[3],西班牙研制开发的带有力反馈功能的三维微创手术培训系统[4],美国开发的关于外科手术缝合操作的实时仿真[5]。

但是在国内,大部分的研究工作主要集中在对医学图像的三维重建及其可视化等方面,如浙江大学对虚拟手术中的软组织变形的仿真研究[6]。

对于带有力感觉的柔性体仿真投入的研究相对较少。

尤其在显微外科手术中,涉及血管的操作占很大的比重,包括血管的剪切、拉伸、吻合、缝合、挤压等。

一个大夫需要很长时间的训练才能达到临床手术的要求。

通常以兔子的后腿动脉和颈部动脉为实验对象,至少需要2个月的培训。

而后还要经过长时间临床辅助手术训练才能独自进行手术。

这种常规的培训和训练模式造成了极大的人力和物力的浪费。

在国外,动物试验是被禁止的,只能使用模拟材料代替动物进行训练。

这种模拟材料与真实血管的物理特性存在很大差别,因此通过模拟材料训练很难达到动物试验的效果,更不能满足临床手术的要求,这无形中增加了病人在临床手术中的危险。

利用虚拟现实技术可以取代效率低下的常规培训过程,大大减少所需的培训时间和昂贵的动物试验费用。

针对这些情况,我们以真实的显微外科手术为依据,建立了带有力感觉的显微外科血管缝合虚拟现实系统。

2　系统组成虚拟现实系统由交互设备和虚拟环境组成,如图2所示。

图2　虚拟现实系统组成交互性是虚拟现实系统的首要特性。

我们采用了Sen -s A b l e 公司开发的具有力反馈功能的PHAN To MD esktop 作为交互设备。

用户通过PHAN To M 端部的操纵杆或者手指套,可以感知和操纵虚拟环境中建立的三维仿真体,并将力信息反馈给用户。

通过使用与PHANTo M 配套的GHO ST SDK (G ene ra l H ap tics O pen Soft w are T oolkit SDK )软件开发包,可以建立虚拟环境。

GHO ST SDK 是一个面向对象的C ++工具包,它把触觉环境表示为几何物体和特殊效果的树形集合[7]。

其中,已经明确给出了一些函数类及其体系结构,派生类等,也包括了一些可能用到的库函数。

因此,只要掌握了这些函数的作用及其之间的关系,就能建立起比较清晰的程序框架。

图3中所示函数为使用GHOST S DK 创建虚拟环境的部分常见函数类。

但由于创建不同虚拟环境的数据结构不同,很难实现模块化。

为此,在程序中通过指针找到需要的数据,虽不能建立起应用数据和外部工具包数据的连接,但是已经大大提高了模块化程度[8]。

图3　GHO ST SDK 场景构成图但是目前开发的GHOST 软件只能创建刚体,不具备建立柔性体的功能。

而在医学领域的研究对象大多是柔性体,如:器官、皮肤、血管、组织等。

因此要想以PHANTo M 做为柔性体仿真中的交互设备,模拟血管穿刺的过程,必须通过GHO ST SDK 来建立柔性体模型。

3　建模方法常用的柔性体模型的建立方法有以下几种:质量-弹簧模型,有限元法,边界元法等。

3.1　有限元法(FE M s )有限元法是通过将实体离散为若干个元素来近似表达连续问题。

在外力、初始条件和材料特性作用下,有限元法可以得到在弹性实体达到平衡状态时各点的位移。

通常采用最小能量原理来解平衡方程条件,包括应变能和作用于物体上的外力功[3]。

这种方法通常用于小变形和小位移的物体。

3.2　边界元法(BEM )边界元法是对边界积分方程离散求解的现代数值分析方法。

该方法使用不同的构造方程,并且只考虑物体边界上的位移和牵引力。

通过预先计算和综合系统反应,实现不同实体的交互式变形[3]。

这种方法被延伸到处理多区域的物体,比如手指不同关节上的软组织。

3.3　质量-弹簧模型(M ass -s pr i ng M od els )质量-弹簧系统是广泛适用于变形物体建模的一种物理基础建模法。

该模型是将实体离散为若干个有质量的节点,节点之间通过弹性线段连接。

这种方法可近似表示组织的几何特性,通过一个网格表面表示组织的边界,或者一系列的点或球体表示组织的形状。

节点之间的力通常为线弹性力(即虎克力),但是对于无弹性特征的生物组织的建模,比如人类的皮肤,表现为非弹性力。

通过增加与节点运动速度相关的阻尼力模拟组织的黏弹性特征。

在动态系统中,通常将物体的运动方程离散为针对每个节点的,即网格中每个有质量的节点的运动均遵守牛顿第二定律[9]:mi ¨xi=-ci·xi+∑jFij+mig其中,m i表示节点i的质量,xi表示该点的空间位置,∑j Fij表示节点i与相邻节点之间的作用力,ci表示与节点运动速度相关的阻尼系数。

血管穿刺的实际过程中,我们比较关心的是血管在一定约束条件下的实时变形和力反馈。

因此,为了简化模型、减小计算量、提高运算速度,我们将血管考虑为壳体,而不是实体,并将壳体离散化为若干通过节点相互连接的三角形单元。

基于这些简化,并充分考虑到上述各种建模方法的优缺点,我们初步打算采用质量-弹簧模型。