计算机辅助设计与图形学学报

作者：李希轩, 豆振浩, 吴洪宇

关键词：虚拟手术仿真, 扩展的基于位置动力学, 手术器械交互

微创冠脉旁路移植术(MICS-CABG)是外科治疗严重冠心病的重要发展方向, 但其手术难度大、风险高, 初学者无法直接对实际病人进行手术技能训练. 基于虚拟现实技术的手术模拟训练能够有效地提高训练效果, 避免手术风险. 针对MICS-CABG的特点, 提出一种扩展的基于位置动力学(XPBD)框架的微创冠脉旁路移植手术操作实时仿真方法. 首先使用四面体外骨骼模型实现复杂心脏的物理形变, 利用圆柱几何体表示手术器械物理模型; 然后利用GPU并行加速XPBD仿真, 利用冠脉中轴线建立Cosserat弹性杆模型的拉伸、剪切、弯曲、扭转约束, 实现了冠脉的形变仿真; 最后基于手术器械与心脏物理模型的碰撞检测, 引入不嵌入约束与附着约束, 生成工具与软组织交互的反馈力. 实验结果表明, 所提方法中手术器械模型与软组织交互变形实时稳定, 在包含100 000个物理单元的场景中, 仿真速率可达到60帧/s, 力反馈仿真频率可达到1 kHz以上, 视觉效果良好, 有着较高的仿真效率.

来源：2024年第11期

《计算机辅助设计与图形学学报》期刊编辑部

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