基于VR的虚拟手术仿真
【大学】基于VR的虚拟手术仿真
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有限元计算模型
• 连续的求解区域离散化，连续的无限自由 度问题转化为离散的有限自由度问题
– 单元分析阶段 单元矩阵计算（刚度、质量、载 荷）
– 整体组合阶段 单元矩阵到整体矩阵的组合 – 约束处理 加入各节点的约束完成系统方程组 – 方程求解 求解系统方程组 – 应力应变计算 各单元的应变、应力计算
手术仿真系统
• 虚拟现实技术的飞速发展和广阔应用前景 • 虚拟现实系统技术在现代医学中的应用 • 内窥镜手术等先进外科手术方式的出现 • 应用：手术培训，手术计划，手术治疗… • 研究内容：
– 医学数据的交互与可视化 – 组织变形的模拟 – 感官反馈的模拟
1
Satava的三代医学仿真系统框 架
• 第一代医学仿真系统：着重于表现人体 几何特性
将切割到的基
切割法 元分裂成若干
个小基元
实现简单，减 少基元数目
有可信的切割 边界
切割边界走样 （锯齿状）
产生很多小基 元，系统负担 加剧，需对模 型重新生成
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切割判据
• 切割条件
– 虚拟器械与软组织接触 – 应力超过屈服条件
切割公式
SMBS 不发生切割
SMBS
发生切割
SM组织将要断裂时的极 应限 力
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立体纹理映射
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实验结果（一）
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实验结果（二）
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实验结果（三）
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今后的研究重点：
• 并行处理 • 模型优化 • 切割后模型简化 • 真实感绘制
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谢谢!
docin/sundae_meng
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9
虚拟手术中的碰撞检测
• 碰撞检测贯穿于手术仿真的整个过程
【大学】基于VR的虚拟手术仿真
通过三维图形生成技术、多传感器交 互技术以及高分辨率显示技术等，创 造出逼真的三维虚拟环境，使用户仿 佛置身于真实世界中。
VR在医疗领域的应用
01
02
03
手术模拟训练
利用VR技术模拟手术场景 ，供医生进行手术技能训 练，提高手术操作熟练度 和准确度。
医学影像分析
通过VR技术将医学影像（ 如CT、MRI）进行三维重 建，帮助医生更直观地观 察和分析病情。
交互界面布局
设计简洁直观的交互界面，方便用户进行操作和 控制。
实时渲染和图像处理技术
高精度渲染
利用GPU加速技术，实现高精度、高帧率的实时渲染。
图像处理
对渲染图像进行色彩校正、对比度增强等处理，提高图像质量。
动态视点调整
根据用户操作和场景变化，动态调整视点位置和角度，提供更真实 的视觉体验。
03
虚拟手术仿真的应用场景和优势
手术前的模拟训练
模拟手术环境
通过VR技术，为医生提供高度仿 真的手术环境，让他们在真实手 术之前进行模拟训练，提高手术 操作熟练度。
降低手术风险
通过模拟训练，医生可以熟悉手 术流程，减少手术中可能出现的 错误，从而降低手术风险。
克服手术器械限制
虚拟手术仿真不受真实手术器械 的限制，医生可以在模拟环境中 尝试不同的手术技巧和器械使用 方法。
总结词
高度仿真、实时交互
详细描述
心血管外科的手术操作要求极高，虚拟手术仿真系统能够提供高度仿真的心脏和血管模型，医生可以在虚拟环境 中进行实时交互操作。
虚拟手术仿真在心血管外科的应用
总结词
评估手术方案、预测手术效果
详细描述
通过模拟手术过程，心血管外科医生可以评估不同手术方案的可行性和效果，为实际手 术提供科学依据。
基于虚拟现实技术的医学模拟手术系统设计与实现
基于虚拟现实技术的医学模拟手术系统设计与实现虚拟现实(VR)技术是一种通过计算机生成的仿真环境，可以提供沉浸感和互动性，使用户能够与虚拟世界进行实时交互。
医学模拟手术系统利用虚拟现实技术，为医学教育和实战训练提供了全新的途径。
本文将介绍基于虚拟现实技术的医学模拟手术系统的设计与实现。
一、系统设计1. 系统架构设计基于虚拟现实技术的医学模拟手术系统的系统架构包括前端、后端和交互介质，其中前端是虚拟现实设备，后端是服务器端，交互介质包括手柄、触控屏等。
2. 虚拟场景建模虚拟场景作为医学模拟手术系统的基础，需要建立医学手术室、手术器械、患者体内器官等虚拟模型。
通过三维建模技术和医学数据，忠实地再现手术环境和解剖结构。
此外，还需要考虑模拟手术中可能发生的各种意外情况，以提高医生的应对能力。
3. 虚拟手术器械设计虚拟手术器械是医学模拟手术系统的核心组成部分，需要设计具有真实手感的手术器械模型，并在虚拟场景中实现准确的物理交互。
通过虚拟手术器械的使用，医生可以通过控制手柄或触控屏来进行模拟手术操作，如切割、缝合等。
4. 用户交互设计医学模拟手术系统需要提供直观友好的用户界面和操作方式。
通过虚拟现实设备的头部追踪和手柄或触控屏的手势识别，医生可以在虚拟环境中自由移动和进行各种操作。
此外，系统还应提供与导师交互的功能，以便进行实时指导和反馈。
二、系统实现1. 软件开发医学模拟手术系统的软件开发需要使用虚拟现实开发工具，如Unity3D、Unreal Engine等。
利用这些工具，可以进行虚拟场景建模、手术器械设计、用户交互设计等。
2. 数据处理与模拟医学模拟手术系统需要使用医学图像数据进行虚拟场景建模，并利用解剖学和生理学知识对患者体内器官的行为进行模拟。
通过对患者体内器官的物理特性和手术器械的物理效果进行建模和仿真，使得医学模拟手术系统更加真实可信。
3. 虚拟现实设备配置医学模拟手术系统需要配备虚拟现实设备，如头戴式显示器、手柄、触控屏等。
基于虚拟现实技术的人体器官建模及仿真研究
基于虚拟现实技术的人体器官建模及仿真研究近年来，基于虚拟现实（VR）技术的医学仿真研究成为了学术界和医疗行业研究的热点。
其中，人体器官建模及仿真研究已经得到了广泛的关注。
本文将从人体器官建模、仿真研究的背景和意义、研究现状、技术应用和未来发展方向等方面进行探讨。
一、背景和意义人类对身体器官了解始于自身对健康的关注，而器官仿真技术则在更深层面上解决了医学领域中的实际问题。
目前，国内外医学界已经广泛应用虚拟现实技术，提高了医生的临床技能和教学水平，同时也大大减少了手术医生的手术风险。
此外，基于器官仿真技术还可以为疾病的早期预防和发现提供更加精确的方法，进一步推进可穿戴医疗和智能医疗等领域的发展。
二、现状近年来，国内外小众医学领域中出现了许多优秀的基于虚拟现实技术的器官仿真软件，如AMModeler、Blaze、DAVIE、ToTAL 和Visulized Anatomy等。
这些软件使用复杂的数学算法和三维图像分析技术，对人体内部器官的形状、大小和结构进行建模，从而实现可视化呈现和真实仿真操作。
此外，还有一些学术机构和医院推出了一些主打人体生理学或病理学研究的人体模型软件，如模拟真实主动脉模型、支气管树模型等。
三、技术应用仿真技术在医学领域中有很广泛的应用，例如：医学教育、医学研究和临床实践等方面。
通过VR模拟各种病例，使医学生和医生可以在安全的环境下进行操作，极大地降低了手术和诊疗中的风险，且可以更加深入地了解器官的内部结构和生理、病理特征。
同时，基于虚拟现实技术的器官仿真研究还可以为医学研究提供更直观和准确的数据支持，帮助医学科研人员更深入地了解人体机能和疾病发生的机理，为治疗和疾病防治提供便利。
比如，通过对肝脏、肾脏、胃肠道等主要器官的三维仿真，可以在大大降低风险的前提下，对手术操作、药物治疗和病理变化等方面进行研究。
四、未来发展随着VR形状模拟、形态和物理仿真技术的不断发展，基于虚拟现实技术的人体器官建模和仿真研究将有更好的发展前景。
基于Unity引擎的虚拟现实医疗仿真系统设计与实现
基于Unity引擎的虚拟现实医疗仿真系统设计与实现虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术是一种通过计算机模拟出的三维虚拟环境，使用户可以在其中进行互动并沉浸式体验的技术。
随着科技的不断发展，虚拟现实技术在医疗领域的应用也越来越广泛。
本文将介绍基于Unity引擎的虚拟现实医疗仿真系统的设计与实现。
1. 背景介绍随着医疗技术的不断进步，传统的医学教育和培训方式已经无法满足日益增长的需求。
传统的医学教学往往依靠书本知识和实际手术操作相结合，但这种方式存在一定的局限性，比如手术风险大、成本高昂等问题。
而虚拟现实技术可以提供一种更加安全、便捷、高效的医学教育和培训方式。
2. Unity引擎在虚拟现实医疗仿真系统中的应用Unity引擎是一款跨平台的游戏开发引擎，具有强大的3D渲染能力和丰富的资源库，非常适合用于开发虚拟现实应用程序。
在虚拟现实医疗仿真系统中，Unity引擎可以提供丰富的交互功能、逼真的场景表现以及灵活的定制能力，为用户带来身临其境的体验。
3. 虚拟现实医疗仿真系统设计与实现3.1 系统架构设计虚拟现实医疗仿真系统通常包括三个主要组成部分：硬件设备、软件平台和内容模型。
硬件设备包括头戴式显示器、手柄等设备；软件平台则是指Unity引擎；内容模型则是系统中需要展示和交互的虚拟场景和对象。
3.2 用户交互设计在设计虚拟现实医疗仿真系统时，用户交互设计是非常重要的一环。
通过合理设计用户交互界面和操作方式，可以提高用户体验和学习效果。
比如可以通过手柄进行操作、添加语音识别功能等方式来增强用户交互性。
3.3 场景建模与渲染在Unity引擎中，可以通过建模软件（如Blender、Maya等）创建医疗场景，并导入到Unity中进行渲染。
通过合理设置光照、材质等参数，可以使虚拟场景更加逼真。
3.4 物理引擎应用Unity引擎内置了物理引擎，可以模拟真实世界中的物理效果。
在虚拟现实医疗仿真系统中，可以利用物理引擎模拟手术过程中器械与组织之间的相互作用，增加系统的真实感。
基于虚拟现实的医学手术模拟系统设计
基于虚拟现实的医学手术模拟系统设计虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术在医学领域的应用越来越广泛，其中之一便是医学手术模拟系统的设计和开发。
医学手术模拟系统利用虚拟现实技术，能够为医学教育和实践提供高度逼真的手术模拟环境，提升医学生和医生的手术技能和经验。
本文将探讨基于虚拟现实的医学手术模拟系统的设计，并讨论其在医学教育和实践中的潜在价值。
首先，基于虚拟现实的医学手术模拟系统需要具备高度逼真的模拟环境。
这意味着系统需要利用先进的图形处理技术和物理引擎，使手术过程在虚拟世界中呈现出真实的触感和视觉效果。
医生和医学生可以通过头戴式显示器和手持控制器互动，模拟手术过程中的各种操作。
例如，当医学生使用手持控制器模拟手术刀进行手术操作时，系统能够准确地模拟切割的阻力和组织的反应，以提供身临其境的手术体验。
其次，医学手术模拟系统应该提供多样化的手术场景和病例。
不同的手术类型和复杂程度需要不同的操作技巧和策略。
因此，系统应该包含各种各样的手术场景，从简单的手术操作到复杂的器官移植手术等。
此外，系统还应该包括不同的病例，以便医学生能够面对各种不同的临床情况和挑战。
通过模拟不同的手术场景和病例，医学生可以提前熟悉手术步骤和应对可能出现的并发症，从而提高手术技巧和决策能力。
第三，医学手术模拟系统应该具备良好的教学功能。
系统应该能够提供详细的解剖结构和生理特征的可视化信息，帮助医学生更好地理解人体解剖学和生理学知识。
在模拟手术过程中，系统应该能够及时给予反馈，纠正操作中的错误，并提供相关的解释和指导。
此外，系统还可以提供虚拟导师功能，通过虚拟人物和语音交互指导医学生正确的操作方法和技巧。
通过教学功能的支持，医学手术模拟系统能够更好地促进医学生的学习和成长。
此外，医学手术模拟系统还可以与医学数据库和人工智能技术相结合，提供更全面和精准的模拟手术体验。
医学数据库可以提供大量的真实临床数据，为模拟手术过程提供扎实的依据。
基于VR技术的3D手术操作练习模拟器的设计与开发
基于VR技术的3D手术操作练习模拟器的设计与开发随着科技的不断发展，虚拟现实（VR）技术在医疗领域的应用越来越广泛。
其中之一的应用就是基于VR技术的3D手术操作练习模拟器。
这种模拟器可以帮助医生和医学生通过虚拟现实环境来进行手术操作的练习，提高其技术水平和操作能力。
设计和开发这样一个模拟器需要一个虚拟现实设备，如头戴式显示器（Head-Mounted Display）和手柄控制器。
通过头戴式显示器，用户能够沉浸在虚拟现实环境中，感受到真实的手术操作场景。
手柄控制器可以用来模拟手术工具的使用，如手术刀、镊子等。
通过这些设备，用户可以在虚拟现实环境中进行手术操作的练习。
开发这样一个模拟器需要进行手术场景的建模和实时渲染。
手术场景的建模需要根据真实的手术室进行设计，并模拟手术仪器的使用和手术过程的步骤。
实时渲染技术可以使虚拟现实环境更加真实和流畅，提高用户的沉浸感。
在模拟器的开发过程中，还可以加入一些辅助功能和反馈机制，以提高用户的训练效果。
可以添加一个实时的指导系统，为用户提供手术操作的正确步骤和技巧。
还可以添加一个实时的反馈系统，及时告知用户手术操作的准确度和错误之处，帮助用户及时纠正错误。
为了使这个模拟器更加实用和逼真，可以将真实的医学数据集集成到模拟器中。
可以将真实的手术视频和图像集成到虚拟现实环境中，使用户在操作过程中能够观察真实的手术情况和操作技巧。
还可以将真实的病例数据集成到模拟器中，使用户能够在不同的病例中进行手术操作的练习，提高其在实际手术中的应对能力。
基于VR技术的3D手术操作练习模拟器的设计与开发是一个复杂而有挑战的任务。
通过合理的设备选择、场景建模和反馈机制的设计，以及医学数据的集成，可以使模拟器更加实用和逼真，发挥其在医学教育和培训中的重要作用。
医学虚拟仿真实验教学案例分享
医学虚拟仿真实验教学案例分享
哎，各位同仁，今儿咱聊聊医学虚拟仿真实验教学这块儿。
咱都知道，现在科技发展快，医学教育也得跟上这趟儿车。
虚拟仿真实验教学，那就跟给医学学生开了扇新世界的大门似的。
咱拿心脏解剖这实验说事儿吧。
以往啊，学生们得在实体标本上动手，操作起来得小心翼翼，生怕给弄坏了。
现在呢，有了虚拟仿真技术，学生们戴上VR眼镜，手里握着操作手柄，嘿，就跟真进了人体里头儿似的。
心脏结构、血管走向，都看得清清楚楚，动手解剖起来也放心大胆，不怕出错。
再说说手术模拟训练。
咱医生啊，手上得稳，心里得定。
这虚拟仿真手术训练，能让学生在模拟环境中反复练习，从简单的切开缝合到复杂的器官移植，都能练个遍。
练得多了，手就稳了，心里也就有底了。
还有啊，这虚拟仿真实验教学还能模拟各种复杂病例和紧急情况。
学生们能在模拟环境中，学习如何应对各种突发状况，提高应变能力。
这可是书本上学不到的实战经验啊。
总的来说呢，医学虚拟仿真实验教学，不仅提高了学生的学习效率和兴趣，还为他们未来的医学实践打下了坚实的基础。
咱医学教育工作者啊，得好好把握这个趋势，让医学教育跟上时代的步伐。
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缺点
去除法
去除某些切割 到的基元，并 改变相关的局 部，全局参数
将切割到的基
切割法 元分裂成若干
个小基元
实现简单，减 少基元数目
有可信的切割 边界
切割边界走样 （锯齿状）
产生很多小基 元，系统负担 加剧，需对模 型重新生成
切割判据
切割条件
虚拟器械与软组织接触 应力超过屈服条件
切割公式
SM B S 不发生切割
第一代医学仿真系统：着重于表现人体 几何特性
第二代医学仿真系统 ：加入人体作为生 物体的物理特性
第三代医学仿真系统：考虑人体各器官 的功能本质
系统功能模块图
几何模型重建
层次四面体模型生成
三角片表面几何重构 （最短对角线法）
断层间层次四面体重 构 （以一定的规则遍 历）
体模型简化算法
碰撞检测算法
提出了一种基于固定方向凸包包围盒层次 的碰撞检测方法
提出了用以解决包围盒间相交测试的快速 区间测试法
提出了一种基于线性规划的旋转后包围盒 的快速计算方法以及一种自底向上的对象 变形后包围盒树的快速更新算法
碰撞检测算法比较
手术仿真中的软组织切割
两种不同的切割处理策略：
方法描述 优点
SM B S
发生切割
SM 组织将要断裂时的应力极限
B 切割器械的锋利程度
S 接触点受到的应力大小
四面体切割
虚拟器械的运动轨迹
平面四边形
四边形与四面体求交
四面体与平面求交 裁剪切割多边形
四面体的分割
交点分类 点交点—判断点是否需要分裂 线交点 —一分为二 面交点—一分为三 体交点—一分为四
基于VR的虚拟手术仿真
浙江大学CAD&CG国家重点实验室
手术仿真系统
虚拟现实技术的飞速发展和广阔应用前景 虚拟现实系统技术在现代医学中的应用 内窥镜手术等先进外科手术方式的出现 应用：手术培训，手术计划，手术治疗… 研究内容：
医学数据的交互与可视化 组织变形的模拟 感官反馈的模拟
Satava的三代医学仿真系统框架
组成模型四面体数：
a:16104 b:7302 c:2671 d:1227 e:714 f:179
虚拟手术中的碰撞检测
碰撞检测贯穿于手术仿真的整个过程
手术器械与人体组织之间的精确快速的碰撞检 测是计算软组织变形和分裂的先决条件
根据碰撞检测的结果，才能准确地计算模型的 变形。
虚拟手术中的碰撞检测：刚体与软体的碰 撞检测
粘弹性模型
几点假设：
瞬时应变弹性
e D
应变和位移呈线性关系
1
＝Bu
应 蠕变变由应弹变性率和 是蠕 应变 力两 和部 应分 变的组函成数＝e
c
c
dt
dc
,
c
粘弹性模型的系统方程：
由虚功原理得到的系统平衡方程：
TdV
四面体网格是一种普遍的体模型表示方法。 大量的四面体数据使得数据存储、体绘制、
有限元计算、实时处理等变得困难。 提出了直接针对四面体体数据进行简化的
新算法。
简化算法思想
采用点删除法简化边 Layer(n-1)
Hale Waihona Puke V5V4Vr
界面，保持边界特性。 Layer(n) V6
V3
构造六面体网格替代
f
T
udS
0
V
S
V为整个粘弹性体域，S为力边界
引入粘弹性物理模型得到：
BT V
D 0BdV
ui01
fi
V BT D 0ti idV
0
有限元计算模型
连续的求解区域离散化，连续的无限自由 度问题转化为离散的有限自由度问题
单元分析阶段 单元矩阵计算（刚度、质量、 载荷）
Layer(n+1)
V1
V2
内部四面体。
M0i M0j
用四面体填充边界面 和六面体网格面连接
V00
M1i
V01
M1j
V02
处的空洞。
V10 V11
简化算法优点
是一种体数据的简化算法； 保持模型的边界特性，简化效果好； 允许用户定义简化程度，能建立多分辨率
模型体数据； 实现简单。
体模型简化结果
整体组合阶段 单元矩阵到整体矩阵的组合 约束处理 加入各节点的约束完成系统方程组 方程求解 求解系统方程组 应力应变计算 各单元的应变、应力计算
立体纹理映射
实验结果（一）
实验结果（二）
实验结果（三）
今后的研究重点：
并行处理 模型优化 切割后模型简化 真实感绘制
谢谢!