22、患者特定建模与虚拟现实手术模拟技术综述

最新推荐文章于 2025-09-25 11:45:39 发布

time3

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分类专栏：下一代计算机动画技术的突破与应用文章标签：患者特定建模虚拟现实手术模拟软组织模拟

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患者特定建模与虚拟现实手术模拟技术综述

在当今的医疗领域，患者特定建模和实时软组织模拟在虚拟现实手术模拟中扮演着至关重要的角色。下面将详细介绍相关技术的进展、应用以及面临的挑战。

网格生成技术的现状与挑战

在构建手术模拟的计算模型时，网格生成是关键的一步。目前的网格生成技术能够对四面体网格进行尺寸和质量控制，还能对表面和尖锐特征进行近似处理。例如，通过CGAL从分割图像生成3D计算模型。然而，该过程也存在两个不可避免的问题：
- 小角度问题 ：小（二面）角可能会破坏细化过程。
- 不良形状四面体问题 ：最终结果中可能包含形状不佳的四面体（如特殊类型的准退化四面体，即Sliver）。

从当前网格生成的进展来看，在合理的时间框架内生成高质量的计算网格并处理边界域仍然是一项极具挑战性的任务。

手术模拟中的软组织模拟方法

除了精确的患者解剖建模，实时软组织模拟也是快速手术模拟系统的关键部分。由于手术中大部分解剖部位是软组织，软组织变形的准确性会极大地影响整个框架的性能。目前主要有以下四种广泛使用的模拟方法：

模拟方法	理论基础	优点	缺点
基于力的方法（质量 - 弹簧）	牛顿第二运动定律	简单、成本低	难以调整弹簧常数以获得期望的行为，会导致过冲问题
基于结构的方法（有限元法，FEM）	连续介质力学	能为不同类型的弹性材料产生准确的物理行为	模型复杂，计算成本高，2D + 中稀疏模式高度无结构，难以有效并行化代码
基于位置的动力学（PBD）	直接处理每个模拟步骤中的位置	快速、稳定、可控，适用于交互环境	不能准确模拟软组织的真实行为，现实世界的人体软组织具有非线性、各向异性行为或异质属性，限制了手术模拟的结果
数据驱动方法	- 几何数据驱动模拟：捕捉变形示例，分解大尺度和精细尺度几何 - 机械数据驱动模拟：需要变形和力数据，通过数值优化估计参数数据	- 几何数据驱动模拟：可生成具有细节的高分辨率输出 - 机械数据驱动模拟：考虑物理力学	- 几何数据驱动模拟：可能无法完全捕捉复杂的物理行为 - 机械数据驱动模拟：计算成本高，参数估计困难

下面是这些方法的流程关系图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A(手术模拟):::process --> B(软组织模拟):::process
    B --> C(基于力的方法):::process
    B --> D(基于结构的方法):::process
    B --> E(基于位置的动力学):::process
    B --> F(数据驱动方法):::process
    F --> F1(几何数据驱动模拟):::process
    F --> F2(机械数据驱动模拟):::process

虚拟现实远程协作与交互系统

在远程协作领域，虚拟现实技术正带来全新的变革。近年来，让人们能够与空间上分离的人自然地进行沟通、交互和合作一直是热门研究话题。传统的电话会议系统主要依赖互联网视频聊天，只能让用户与屏幕上的平面图像交谈，远远不足以创造沉浸式的交流体验，用户也很难通过这种系统进行远程协作。

为了应对这些问题，研究人员利用3D渲染技术创建了沉浸式远程呈现系统。虽然这些系统可以显著改善电话会议体验，但用户通过2D平面屏幕查看3D场景仍然很不自然。而新兴的VR/AR/MR技术为高度沉浸式的远程呈现体验提供了新的可能性，这些技术可以直接将人们沉浸在精心设计的虚拟空间中，让他们感觉仿佛被传送到了一个新世界，在那里可以以新颖的方式与他人进行交流和互动。

VR远程呈现系统的特点

研究人员开发了一种基于虚拟现实（VR）的远程呈现系统，为远程对话和协作提供了全新的沉浸式体验。该系统具有以下特点：
1. 自动布局 ：在虚拟空间内，用户将根据参与者的数量自动排列成一个圆圈。虽然目前由于实验室VR设备的限制，系统仅允许两名用户使用，但它可以轻松扩展以支持灵活数量的参与者。这意味着两个人可以使用该系统进行面对面交流，而一群人可以使用该系统举行小型会议。
2. 虚拟化身 ：用户将变成自己选择的虚拟卡通化身，与其他用户的化身进行交流。他们的头部动作和身体姿势将由化身模拟，以传递眼神交流和肢体语言，这对于有效沟通至关重要。
3. 自然交互 ：借助先进的动作捕捉技术，用户可以使用手持控制器或动作捕捉手套仅用手与虚拟世界进行交互，这是人们最自然和自发的交互方式。因此，用户可以在虚拟屏幕上播放PPT幻灯片或观看视频，或者通过在虚拟黑板上计算来合作解决数学问题，还可以一起观察、操作甚至设计3D模型等。

这个VR远程呈现系统为远程协作提供了各种新的可能性，有望在未来的远程沟通和协作场景中发挥重要作用。随着技术的不断发展，我们期待看到这些技术在医疗、教育、商业等更多领域的广泛应用，为人们带来更加便捷和高效的体验。同时，也需要进一步解决技术上的难题，如提高软组织模拟的准确性、增强VR系统的稳定性和交互性等，以实现更加逼真和自然的虚拟环境。

患者特定建模与虚拟现实手术模拟技术综述

未来挑战与展望

尽管目前在患者特定建模和实时软组织模拟方面已经取得了一定的进展，但仍然面临着诸多挑战。人类解剖结构的复杂性以及每个患者的独特性和病症，都给相关技术的发展带来了困难。未来的工作需要在以下几个方面进行深入研究：
1. 医学图像分析 ：准确分析医学图像中的几何和解剖结构是构建精确模型的基础。这需要开发更先进的图像分割和识别算法，以从复杂的医学图像中提取出有用的信息。例如，利用深度学习技术对医学图像进行处理，提高分割的准确性和效率。
2. 计算模型转换 ：将医学图像中的信息准确地转换为高质量的计算模型是关键的一步。需要进一步优化网格生成算法，解决小角度和不良形状四面体等问题，以生成更符合实际情况的计算网格。
3. 软组织模拟优化 ：提高软组织模拟的准确性和真实性是手术模拟的核心目标。需要研究更精确的物理模型，考虑软组织的非线性、各向异性和异质属性，同时降低计算成本，提高模拟的效率。
4. 人机交互改进 ：实现高保真的自然人机交互是提升手术模拟体验的重要方面。需要开发更先进的交互设备和技术，如触觉反馈设备，让用户能够更真实地感受到手术操作的效果。

下面是未来工作的目标和挑战关系图：

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A(未来工作):::process --> B(医学图像分析):::process
    A --> C(计算模型转换):::process
    A --> D(软组织模拟优化):::process
    A --> E(人机交互改进):::process
    B --> B1(开发先进算法):::process
    C --> C1(优化网格生成):::process
    D --> D1(研究精确物理模型):::process
    E --> E1(开发先进交互设备):::process

总结

患者特定建模和实时软组织模拟在虚拟现实手术模拟中具有重要的意义。通过不断改进网格生成技术、优化软组织模拟方法以及提升人机交互体验，可以为外科医生提供更真实、更有效的手术模拟环境，帮助他们更好地进行手术规划和训练。同时，基于VR的远程呈现系统为远程协作提供了新的途径，打破了空间的限制，让人们能够更加自然地进行沟通和合作。

随着技术的不断进步，我们有理由相信，这些技术将在医疗领域发挥越来越重要的作用，为提高手术的成功率和患者的治疗效果做出贡献。未来，我们期待看到更多创新的技术和方法出现，推动患者特定建模和虚拟现实手术模拟技术不断向前发展。