【摘 要】
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消化内镜是诊断和治疗消化道疾病的重要方式,随着内镜医师的逐年增多,对内镜医师的培训近年来成为临床教育研究的热点。虚拟手术模拟为解决这一问题提供了解决方案,相比传统培训方式,虚拟手术具有节约培训时间和成本、规范化培训过程和降低医疗风险等优势,可以提高手术的成功率。基于以上背景和目的,本文对虚拟内镜手术培训设计的关键技术进行研究和实现,主要包含几何建模技术、碰撞检测技术、触觉反馈技术、形变建模与软组织
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消化内镜是诊断和治疗消化道疾病的重要方式,随着内镜医师的逐年增多,对内镜医师的培训近年来成为临床教育研究的热点。虚拟手术模拟为解决这一问题提供了解决方案,相比传统培训方式,虚拟手术具有节约培训时间和成本、规范化培训过程和降低医疗风险等优势,可以提高手术的成功率。基于以上背景和目的,本文对虚拟内镜手术培训设计的关键技术进行研究和实现,主要包含几何建模技术、碰撞检测技术、触觉反馈技术、形变建模与软组织切割以及虚拟手术平台设计等。主要研究内容如下:（1）为提高系统的实时性,提出了面模型用于渲染显示、体模型用于形变计算的方法共同建立软组织几何模型。利用真实CT数据重建得到消化道组织的面模型,用于在虚拟场景中的渲染显示;将面模型网格优化处理后进行Delaunay四面体剖分生成体网格,用于在手术工具与消化道软组织发生交互作用时软组织的形变切割计算。既保证了软组织模型具有真实的纹理细节,又有良好的形变效果。（2）根据内镜手术工具的特点,设计相应的碰撞检测算法,通过点、线、面、体的空间位置关系计算检测碰撞状态,当手术工具（电刀、夹钳）与消化道内壁组织发生碰撞时可以实时响应并返回碰撞点坐标;为增强培训的沉浸感,基于弹簧-阻尼模型设计触觉反馈算法,并连接力反馈设备,实现手术培训时的触觉感应。（3）基于位置动力学（PBD）算法实现软组织形变,提出利用回溯算法求解的数据分组方法,解决PBD约束在GPGPU加速计算过程中的约束冲突问题,实现PBD算法实时的高斯赛德尔迭代;根据粘膜和内部组织的形状特点,分别设计了贝塞尔曲线优化切口的顶点复制分裂表面切割算法和适用于电刀切割的体网格去除法切割算法,并解决各自网格重建及更新的细节问题。（4）最终,在Unity3D中将算法集成,对各算法结合的注意点进行说明并提出解决方案;利用改进型模型-视图-控制器（MVC）框架进行UI界面等软件相关设计,建立虚拟操作环境,并连接Omega.7力反馈设备和HTC Vive头显设备搭建虚拟内镜手术培训系统。
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