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微創手術過程中手術煙霧的仿真與機理研究進展

文章來源:科技信息中心編輯室   時間:2018-12-31 14:39:00 訪問數:

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微創手術過程中的手術煙霧主要來源于消融手術中電外科設備與患者組織細胞發生熱破壞所產生的副產物。根據20世紀90年代以來國內外的研究顯示,手術煙霧的危害主要體現在細胞碳化所產生的煙霧對醫師操作視線的遮蔽效應和細胞燃燒所產生的生化物質對患者及醫師健康產生的傷害(見圖1)。研究基于物理性(physics-based)的手術煙霧仿真手段并應用于虛擬現實的手術環境中,對提高微創手術的訓練效率和降低手術風險有著十分重要的意義。該項研究在過去二十年吸引了包括物理學、計算機圖形學和醫學等多個交叉學科的重視,但對手術煙霧這一復雜流體現象的仿真和其生成機理的探索還尚未形成完整的理論體系

微創手術過程中手術煙霧的仿真與機理研究進展

    本項目研究中首次提出了將改進的基于無網格的渦粒子方法(Vortex Particle Method)與傳統的基于網格的流體模型相結合的方法,并同步開發了針對煙霧流體的GPU并行計算加速算法,在保持高物理性的同時解決了煙霧流體模擬的計算優化問題,實現了高真實度的可交互手術煙霧仿真。現階段的研究成果被應用于兩項微創消融手術虛擬訓練環境的構建當中,體現了較高的魯棒性和物理細節還原能力。

1  手術煙霧仿真算法研究取得較大進展

本項目所提出算法的目的是實現煙霧流體仿真中物理性、真實性和計算代價間的平衡,以應用于微創手術的訓練和規劃當中。傳統基于網格的流體模型在計算煙霧流場時會產生數值耗散并導致大量流體微細節的丟失。如圖2所示,本項目通過改進的無網格VPM方法結合理論分析的手段將這些細節以渦量約束力的形式耦合進流體方程中,同時對基于拉式網格流體模型的計算架構進行優化,從而實現了對包括小尺度渦在內的流體細節的還原。仿真結果證明該方法具有較好的收斂和精確度,在與不同邊界條件交互時也保持了較高的穩定性,因此得以在虛擬現實環境中可靠地表征煙霧類流體的物理特性。另外,結合醫學實驗的結果可進一步優化流體的仿真參數,提高不同手術應用場景的適應性。

微創手術過程中手術煙霧的仿真與機理研究進展

2  針對手術煙霧仿真的計算優化架構基本形成

在傳統的VPM方法中,每一時間步的計算需先將速度形式的N-S方程轉化為渦量形式求解,因而難以實現可交互式的仿真。本項目創造性地提出先采用粗糙網格計算煙霧流體的速度場,然后直接根據網格點的速度矢量計算用于描述流體運動的渦粒子的渦量,從而避免了直接求解計算量龐大的渦量形式N-S方程。另外還同步開發了針對煙霧流體的GPU并行計算架構,如圖3所示,采用獨立的GPU計算線程來計算模型內每一個渦粒子的受力情況,并采用共享內存的方式來優化數據傳輸,從而有效提升了仿真過程中的計算效率。結果顯示,該方法相對傳統基于CPU的仿真在不同應用場景中可實現15~21倍的速度提升[1,3]

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3  基于虛擬現實的手術訓練應用取得明顯效果

現階段該項目提出的手術煙霧仿真已被成功應用于病變血管切除手術和肝臟腫瘤消融手術的訓練當中。如圖4所示,所提出的仿真算法對微創手術的環境還原度較高,體現了很好的可交互性并最大程度地保留了煙霧流體的物理性和細微結構。根據參與實驗的醫師反饋,該仿真可有效提高微創手術的訓練效率,有利于熟悉手術煙霧生成時的操作步驟,降低手術風險,并對手術規劃的輔助提供了高精度的解決方案。

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