论文总字数：18141字

目 录

1 绪论 1

1.1 课题研究目的与意义 1

1.2 国内外发展现状 2

1.2.1 虚拟手术仿真技术的研究现状 2

1.2.2 软组织的物理建模研究现状 2

1.3 相关软件介绍 3

1.3.1 MAYA软件介绍 3

1.3.2 AE软件介绍 3

1.3.3 Photoshop软件介绍 4

1.3.4 Premiere软件介绍 4

1.4 设计内容 4

2 虚拟柔性体受力形变的物理模型建立 4

2.1 虚拟手术中的算法模型 4

2.2 对称式板弹簧模拟柔性体切割形变模型 5

2.2.1 模型的想法由来 5

2.2.2 模型建立过程 5

3 软组织模型的建立过程 9

3.1 MAYA环境下人体腿部模型的建立 10

3.1.1 脚部的制作 10

3.1.2 小腿的制作 10

3.1.3 大腿的制作 11

3.1.4 将脚部、小腿和大腿整合 11

3.2 MAYA环境下人体肺部和肾脏模型的建立 11

3.2.1 两片肺部模型的建立 11

3.2.2 肺管模型的建立 12

3.2.3 将肺片与肺管整合 12

3.2.4 肾部模型的建立 13

4 视频制作 14

4.1 人体腿部切割动画制作 14

4.1.1 腿部切割动画的制作过程 14

4.1.2 腿部伤口的制作 15

4.1.3 喷血效果的制作 17

4.2 人体肺部、肾脏切割动画制作 19

4.2.1 肺部、肾脏的伤口制作 19

4.2.2 肺部、肾脏切割动画的制作 20

5 总结与拓展 23

参考文献 24

致谢 25

虚拟柔性体实时形变仿真

张祥龙

, China

Abstract: Firstly, this paper makes an overview of some basic aspects on virtual simulation technology, virtual surgery and soft tissue physical modeling technology. At the same time, this paper also makes a introduction of MAYA, AE and PS used in the research. Then, I propose a physics model about cutting deformation of virtual flexible body. Finally, making 3D model of human leg, lung and kidney and related cutting animation by software such as MAYA. And achieving the cutting deformation simulation of these flexible bodies.

Keywords: Virtual Simulation; Cutting; MAYA

1 绪论

1.1 课题目的与研究意义

如今社会，随着人们的生活水平越来越高，大家对个人身体健康的关注程度逐渐提升，并对医疗的方方面面都开始关注起来。近年来，医患纠纷事件屡见不鲜，医疗安全被极大的重视，近期的“莆田系”医院事件也是闹的沸沸扬扬。种种事件表明，医疗方面需要得到我们更多的关注。本课题是“虚拟柔性体实时形变仿真”，具体一点的说，是提出一种新的虚拟柔性体受力形变模型，并对模型的有关形变进行模拟仿真。把模型应用到虚拟手术系统中，这样我们在虚拟手术平台上就能更好的模拟手术。说到虚拟手术系统，不得不提到它的好处，通过虚拟手术平台，年轻的外科医生可以有目的性地选择练习对象，选择练习手术项目，而且时间比较自由，年轻的外科医生因而能够得到更好的训练，节省更多的时间。相对而言，传统的培训方式，更多的还是言传身教。医学院里，老师通过板书，给同学观看录像等方式来教学，在这些方式下，同学们对手术没有比较直观的感受。有时候，老师也会带领同学进行解剖实验，但是这种方式也有不足，尸源等条件限制比较大。对比着看，通过虚拟手术平台训练，年轻的外科医生会比较快速地成长起来，为人民服务。另外，医生的水平提高了，医疗事故会相应减少，医患纠纷也是会少很多。但是，这一切都需要我们有一个很好的虚拟手术平台，然而现有的虚拟手术平台还达不到我们的期望，所以，本课题的研究可以说是很有必要的。

现实生活里，我们在外科手术当中，经常能够看到外科医生对人体软组织的切割操作，还有对一些发生病变的软组织进行的切除操作，像在人体肝移植手术中，外科医生首先需要从捐肝人的身上切取部分肝脏，然后把这部分肝脏移植到受肝人身上，在这个过程中，外科医生完成了对捐肝者和受肝者皮肤等人体软组织的切割操作，以及对捐肝者肝部的切取操作。所以说，切割这个操作在现实手术中，应用很多，相应的，在虚拟手术仿真系统中，对人体软组织器官的切割仿真也是一个主要部分，这样，人体软组织器官的切割仿真就更加值得我们去深入研究了。虚拟手术仿真主要包含两个方面，一方面是视觉，使用者通过系统进行操作后，在系统中会有一个相应的反馈，如进行切割动作后，系统在虚拟柔性体上会形成相应的切割痕迹；另一方面是触觉，主要指外部作用力与反馈力的计算和输出，即使用者通过系统有一个比较真实的操作受力感受。在本课题中，主要研究的是视觉方面。

为了更好地培养年轻的外科医生，使他们的成长速度加快，为患者提供更好的手术服务，提高手术的安全性，我们有必要对虚拟柔性体受力发生切割形变的仿真进行研究。

1.2 国内外发展现状

1.2.1 虚拟手术仿真技术的研究现状

随着虚拟现实技术与外科手术的不断结合，虚拟手术仿真技术得到了快速发展，到如今，世界上很多国家已经开展了对虚拟手术仿真技术的研究，并且虚拟手术仿真技术的研究也取得了比较多的成果，开发出了很多种虚拟手术仿真系统。总体上，西方国家，开始的时间比较早，我国的起步相对晚一些。

Delp 和 Rosen 研发的关节移植手术系统，这个系统能够显示关节移植的完整过程，并且该系统是国际上公认的最早的虚拟手术仿真系统；1995年，Levy把力反馈设备添加到了虚拟手术仿真系统中，从而建立了一个真正意义上的虚拟手术系统；美国Georgia理工学院对虚拟内脏器官实时形变模拟进行了研究^[1]；斯坦福大学生物计算机中心对在显微镜下对微细血管缝合的手术仿真进行了研究^[2]；英国Wang. P等人使用边界元模型构建了神经外科的力反馈手术训练系统^[3]；法国国家信息和自动化研究所根据线弹性理论和有限元模型建立了虚拟的肝脏模型，实现了基于腹腔镜触觉设备对虚拟肝脏的切割手术^[4]。另外，德国、日本、澳大利亚等国家也对虚拟手术仿真系统开展了相关的研究工作。在中国，许多高校和科研所对此也开展了研究工作。清华大学研究出了中国首例可视化人体心脏^[5]；上海交通大学数学医疗实验室开发了虚拟腹腔镜手术系统，这个系统实现软组织形变、切割、缝合等多项技术，是国内建立的较为完善的虚拟手术系统^[6]。

1.2.2 软组织的物理建模研究现状

在人体中大部分组织都是软组织，因而软组织建模是虚拟手术研究中的重点内容。我们在建模时，需要根据人体软组织的结构、功能、力学特性等特点，建立一个实时性强、能给人真实体验感的模型，这样在软组织建模工作中有很多难题需要我们去克服。

目前，国内外软组织建模方面比较经典的两款模型为质点弹簧模型和有限元模型。我们在选择模型时需要考虑很多因素，如模拟区域的大小、模拟组织的结构特性、实时交互及力反馈。质点弹簧模型是由许多离散分布的质点和那些把这些离散质点连接起来的弹簧组成的，其中这些离散分布的质点总质量和表示物体的质量，这些质点相互之间的作用力是通过连接它们的弹簧实现的。这种模型的特点是：计算的速度快，不需要连续参数化，模型特性和实际物体的物理特性差别很大，精确性低。因而这种质点弹簧模型在那些对仿真精度要求不是很高的虚拟手术仿真中应用的比较多。1987年，伦敦米德尔塞克斯理工学院的Waters采用基于规则矩形栅格的质点弹簧模型对人体脸部进行了建模，将面部的软组织抽象成互相垂直的非线性弹簧来模拟脸部产生表情时的形变^[7]。2007年，上海交通大学的Feng Chen等提出了中心线法和非线性弹簧模型，并通过局部形变影响整体的策略达到了我们对实时性的要求^[8]。2012年，米兰理工大学的Patete等人使用质点弹簧模型来实现计算机辅助整胸术中形变的模拟^[9]。

有限元模型，它是通过将整个组织分割成若干个子单元，然后把每个子单元边界上的节点连接起来形成一个组合体，来模拟整个组织。有限元模型的主要方法是创建一个函数，可以近似的表现出子单元中特定求解域的应变量，然后再在变分原理基础上建立求解方程组来计算形变。和质点弹簧模型相比较，有限元模型，能够较为准确地模拟各种具有物理意义的物体形变，就是模拟的精确度比较高，另外，在各种几何结构与材料特性的模拟应用中有限元模型都表现比较好，有限元模型在模拟大形变时更加出色。但是，有限元模型的稳定性会受到模型中有限元的数量和质量的影响，有限元模型需要连续参数化且计算过程比较复杂，模型的实时性会受到影响，因而有限元模型在实时性方面不如质点弹簧模型。近段时间来，有限元模型在虚拟手术仿真方面有了更加广泛的应用。2007年，Cotin等采用线性插值的四面体有限元模型对人体肝脏变形进行了模拟^[10]；2011年，东英吉利大学的Lapeer等人利用弹性有限元模型模拟了人体的皮肤^[11]。

1.3 相关软件介绍

1.3.1 MAYA软件介绍

“MAYA”的全称为“Autodesk Maya”，这款软件是美国Autodesk公司的产品。它是一款顶级的三维动画制作软件，我们主要用它制作一些三维动画、制作一些三维模型，但是它又不是只有这些简单的功能，Maya集成了Alias、Wavefront最先进的动画和数字效果技术，还结合了许多其他的先进技术，如运动匹配、毛发渲染、数字化布料模拟等。可以说，这款软件是人们进行三维动画制作的首选项，另外，Maya也被广泛地应用到了平面设计领域。当然，3dsmax也是一款在3D建模方面很优秀的软件。Maya和3dsmax同为Autodesk公司的主力产品，都很优秀，但用途差异比较大。3dsmax主要的应用方向是建筑动画，室内设计等，软件中有很多建筑、家具等的模型，在我们建造场景时，非常方便。而Maya软件主要的应用方向是动画片制作、电影制作、电视栏目包装、电视广告、游戏动画制作等。本课题中，需要建模的对象是人体的软组织器官，对模型的精细度要求比较高，在精细度方面，3dsmax是比不上Maya的，人体器官方面也不是3dsmax的主流应用方向，所以我选择了Maya来实现人体软组织器官模型的建立以及受力发生切割形变模拟动画的制作。

1.3.2 AE软件介绍

“AE”是软件的简称，它的全称是“Adobe After Effects”，这款软件是由Adobe公司推出的。AE主要是用来处理视频，更加偏向于视频的后期处理，如加一些动画特效。在这款软件中，有很多的预设效果和动画，让我们这些使用者能够方便高效地在视频中制作出各种各样的特效。在本课题中，主要使用该软件制作了人体腿部切割仿真时产生喷射血液以及腿部周围洒落血液的特效，这些特效的添加使得人体腿部切割仿真动画非常形象逼真，很好地展示了腿部切割之后的真实场景。

1.3.3 Photoshop软件介绍

这是一款大家经常能听到并接触到的图像处理软件。“PS”就是这款软件的简称，Photoshop主要用来处理以像素构成的数字图像。这款软件中有很多的编修与绘图工具，我们利用这些工具可以非常方便有效地对图片进行编辑，也可以制作一些图片素材。本课题中，在制作切割仿真动画中软组织发生切割形变产成的伤口时，使用该软件制作了伤口，制作的伤口在形状、颜色等方面与真实情况相差无几，因而使仿真动画中切割的效果比较逼真，达到模拟仿真中对视觉方面的要求。

1.3.4 Premiere软件介绍

我们平时简称这款软件为“PR”，它是一款常用的视频编辑软件，我们使用它可以比较轻松的编辑视频，如添加背景音乐、添加视频字幕、拼接视频、裁剪视频等。在本课题中，我使用该软件，对人体腿部，肺部和肾部的切割仿真动画片段进行了整合，并添加了背景音乐和视频转换时的小特效，做出了最终的仿真模拟演示视频。

1.4 设计内容

利用MAYA这个三维动画制作软件，制作出人体腿部、肺部以及肾脏的三维立体模型，然后以三维动画的形式表现出，腿部、肺部以及肾脏在受到虚拟力作用，进而发生切割形变的动态过程。具体的设计步骤如下：

（1）了解人体腿部，肺部以及肾脏的真实构造。通过医学上使用的肌肉原理图，以及人体器官的图片，深入、详细地了解各组织的细节，为制作逼真的三维模型做铺垫。

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