论文总字数：16157字

目 录

1 引言 1

1.1 课题研究目的与意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 美国 3

1.2.2 欧洲 3

1.2.3 日本 5

1.2.4 国内 5

1.3 设计内容 6

2 人体软组织三维模型的建立 6

2.1 MAYA2014软件介绍 6

2.2 MAYA环境下手臂、手掌模型的建立 7

2.3 MAYA环境下肝脏、胃部模型的建立 9

2.4 人体软组织三维模型的渲染 10

3 人体软组织物理模型的构建 11

3.1 虚拟软组织形变建模技术 11

3.2 一种基于体积保持的对称板弹簧模型 12

3.2.1 模型研究背景 12

3.2.2 模型的建立步骤和过程 13

3.2.3 模型实例表述 17

4 人体软组织变形仿真的模拟 19

4.1人体手臂、手掌变形仿真模拟 19

4.2人体肝脏、胃部变形仿真模拟 20

5 总结与拓展 22

参考文献 22

致谢 24

人体软组织变形仿真模拟

薛瑶环

, China

Abstract: In today's society, health and medical care are more and more important, surgery simulation is also developing rapidly. Its main contents are three-dimensional reconstruction for virtual model of human soft tissue in a computer ,and simulating various effects of deformation during the real operation of human soft tissue.This paper proposes a novel model based on held volume symmetric plate spring. This model realized stretch operation on all kinds of human organs by the medical forceps.Then I choose MAYA,a 3D animation software,simulates a series deformation process of human soft tissue when being stretched, completes the deformation simulation of human soft tissue.

Key words: virtual simulation; three-dimensional reconstruction; stretch; MAYA

1 引言

1.1 课题目的与研究意义

随着计算机性价比的提高和国内外物联网技术的兴起，计算机应用领域的广度和深度得到了迅速的发展。世纪后期，虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）迅速兴起并广泛应用于现代科研的各个领域^[1]。虚拟现实技术是一门较为复杂的新兴边缘的技术，它汇集了计算机图形技术、人机交互、传感器技术和人的行为学研究等多项关键技术，用计算机向人们展示类似于现实世界的虚拟环境。VR系统的组成形式见图1.1。

图1.1 VR系统组成形式图

其中，虚拟手术仿真将计算机技术与弹性力学、生物力学、当代医学相结合，是虚拟现实技术在当代医学领域的重要应用。在虚拟环境下进行人机交互的手术训练也是物联网技术在医学上的一大运用。通过构建各种类型的虚拟器官，人们能够运用手术仿真和虚拟导航实现较为复杂的医学解剖体数据的三维可视化，同时，还可以对检测到的数据进行实时操作，建立起可供术前规划使用的虚拟环境^[2]。这样的手术训练系统不仅需要人机交互的外接设备，更需要不同功能的传感器实现人对虚拟器官的很多操作。我们知道，物联网技术的研究核心便是物与物甚至人与物之间的信息分享与交换，本论文便是运用虚拟现实技术，实现手术过程中医用机械与病人之间的信息交换，展现物联网在生产生活方面的重要应用。

做手术时，大多数的失误都是根源于人为因素，因此手术训练非常重要。在虚拟环境中，能够构建数字化三维人体，通过跟踪球、、感知设备等，医学院的学生能够了解身体内各大器官的组织构成，还可以进行人体的剖解及不同类型的手术演练。采用虚拟现实技术，医务工作者能够亲身体验，增强解决现实手术中突发状况的能力。在进行虚拟手术时，计算机能够记录医生的行为，精确地收集各类有效数值，对手术实训进行评价，如评价下刀部位是不是精确、所施加的压力是否适当、有没有对健康的软组织造成伤害等，即对手术水平的高低评估^[3]。医生及医学生通过此种综合性的模拟系统能够反复而有效的进行实践练习，还可以对日常工作中较为少见的病例进行操作。因为此技术实施时不用考虑场地、标本等因素，所以培训成本大大减少。运用在医学研究、培训及实习的一些虚拟现实系统，仿真效果普遍较好。比如说，将导管穿插进人体血管的模拟器，有利于学生多次练习导管穿插进人体血管时的动作过程；眼部手术模拟器，能够根据人们眼睛的构造创建出三维的图像，而且能够产生随实际时间变化的触觉反应，实习生运用它能够查看并模拟移除晶状体的流程，同时可以查看到眼睛前部构造的巩膜、虹膜组织和血管和角膜的透明度等^[4]。此外，还有口腔仿真模拟器、麻醉虚拟现实系统等。

通过虚拟手术，医生可以在术前取得医学影像的相关信息，从而病人病变位置的三维结构就可以用电脑软硬件模拟出来，其后，利用虚拟现实技术构建出手术的逼真三维场景。在这样的虚拟环境中，医生能够设计手术过程，把握进刀的位置和倾角，使得现实手术的实施效果得到改善。因此，虚拟手术对于增强操作定位准确度、减小实际手术失误，对选择最佳手术方案、改善手术成效意义十分重大。此外，虚拟手术在大型手术前的规划准备、手术过程中的操作引导、手术结束后的结果猜测，在远程手术教学、提高残疾人的生活水平，乃至新型药品的研制等领域都能发挥着十分重要的作用。

虚拟手术系统所涉及的核心技术主要包含人体软组织的三维重建、触碰监测、软组织形变建模和切割模拟及力反馈的计算等，有时还可能包括对人体软组织和病变的生理建模和病理建模，如下图1.2所示。

图1.2 虚拟手术系统的组成

1.2 国内外研究现状

在阅读和学习了国内外大量期刊论文后，我发现在关于人类信息获得的一些研究中，研究者们总结出一个论断：在人类的几种感觉中，力触觉的重要性仅次于听觉和视觉。同时，力触觉作为人们感知世界的主要方式，能够帮助人们认识和感觉周围的环境，甚至使人们能够与环境进行沟通。同时，在人们的平时工作中，准确、有效的力触觉感知也非常重要，有了准确的触觉感应，我们就可以将布置的任务更好的完成。当然，力的触觉反馈也是非常重要的。倘若经验不足的医务工作者在进行虚拟手术练习时加上力的触觉反馈，那么他们不仅可以在显示屏中看到正在操作的软组织，还可以感知到软组织的存在。在这种情况下，医生就可以进入虚拟环境，和人体软组织构成一个交互的整体，这样一来，手术练习便可以更加的精确和可靠。由此可见，虚拟手术仿真在各大领域发挥起越来越关键的作用。

1.2.1 美国

美国作为虚拟现实技术的摇篮，对该技术的研究从上个世纪40年代便开始了。起初，该研究较多地应用在美国的军事领域，如军方对航天员和飞行员的模拟训练。冷战后，由于美国军费慢慢削减，这些技术逐步转变为民用。1986年，美国国家医学图书馆和Colorado大学的健康科学中心开始实施一项名为“虚拟人体计划（The Virtual Human Project，VHP）”的项目，该计划以建立一个医学图像库、给生物医学文献提供图像检索的服务为目标，于1994和1995年先后获得两组CT、MRI和解剖的彩色图像数据集，如下图1.3所示。

a 彩色切片照片 b CT图片 c MRI图片

1.3 人体软组织切片图像

Loma Linda大学医学中心经常从事高难度和有争议的课题。David Warne老师带领他的科研队伍将计算机图像和仿真模拟的设施成功地应用于讨论与神经障碍相干的课题。他们以数据手套为工具，将人体器官如手掌的运动在计算机上用图形实时地表示出来。此外，虚拟现实技术也被他们成功地运用于被虐待儿童的内心康复治疗中，并新创了VR儿科治愈方法。

1.2.2 欧洲

英国UK Haptics公司研发的触摸型立体虚拟系统，在护士的专业实训中运用。在这个帮助护士练习静脉注射的虚拟手中，传感器能“感知”到与人体表皮的触碰，同时传递来自肌肉和关节的数据。有“感觉”的虚拟手能帮助护士或实习生掌握静脉注射技巧，与原先使用的塑料假手不同，虚拟手可以提供各种不同参数，例如存在“游动”的静脉、静脉破裂等等。同时，还能模仿老人、小孩以及带有不同伤口的手，其中包括肌肉组织破裂和骨折。这样，在护士和实习生允许给真人静脉注射之前，她们可以先“试扎”虚拟患者。

在医药届，虚拟现实技术已被德国的某些医药企业运用到新型药物的研制中。与此同时，医学院校及各大医院也开始将数字模型用到外科医生的训练中。即做手术前，医生先在数字模型上做试验，用超声波探测、X光扫描、核磁共振等方法扫描人体，获得相关信息后进行综合，构建出反应与真实人体软组织和器官相接近的仿真模型。目前，与此相关成果为可供手术练习使用的“虚拟膝关节”。

德国Karlsruhe应用计算机科学研究所为实现最小毁伤手术所研发的内窥镜手术实训系统，如图1.4所示能够较为完善地仿真人体软组织的抓、捏、切割、灼烧等动作，这个系统在妇科手术等仿真中已经实现^[5]。

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