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微创手术过程中手术烟雾的仿真与机理研究进展

文章来源:甘肃快三信息中心编辑室   时间:2018-12-31 14:39:00 访问数:

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微创手术过程中的手术烟雾主要来源于消融手术中电外科设备与患者组织细胞发生热破坏所产生的副产物。根据20世纪90年代以来国内外的研究显示,手术烟雾的危害主要体现在细胞碳化所产生的烟雾对医师操作视线的遮蔽效应和细胞燃烧所产生的生化物质对患者及医师健康产生的伤害(见图1)。研究基于物理性(physics-based)的手术烟雾仿真手段并应用于虚拟现实的手术环境中,对提高微创手术的训练效率和降低手术风险有着十分重要的意义。该项研究在过去二十年吸引了包括物理学、计算机图形学和医学等多个交叉学科的重视,但对手术烟雾这一复杂流体现象的仿真和其生成机理的探索还尚未形成完整的理论体系

微创手术过程中手术烟雾的仿真与机理研究进展

    本项目研究中首次提出了将改进的基于无网格的涡粒子方法(Vortex Particle Method)与传统的基于网格的流体模型相结合的方法,并同步开发了针对烟雾流体的GPU并行计算加速算法,在保持高物理性的同时解决了烟雾流体模拟的计算优化问题,实现了高真实度的可交互手术烟雾仿真。现阶段的研究成果被应用于两项微创消融手术虚拟训练环境的构建当中,体现了较高的鲁棒性和物理细节还原能力。

1  手术烟雾仿真算法研究取得较大进展

本项目所提出算法的目的是实现烟雾流体仿真中物理性、真实性和计算代价间的平衡,以应用于微创手术的训练和规划当中。传统基于网格的流体模型在计算烟雾流场时会产生数值耗散并导致大量流体微细节的丢失。如图2所示,本项目通过改进的无网格VPM方法结合理论分析的手段将这些细节以涡量约束力的形式耦合进流体方程中,同时对基于拉式网格流体模型的计算架构进行优化,从而实现了对包括小尺度涡在内的流体细节的还原。仿真结果证明该方法具有较好的收敛和精确度,在与不同边界条件交互时也保持了较高的稳定性,因此得以在虚拟现实环境中可靠地表征烟雾类流体的物理特性。另外,结合医学实验的结果可进一步优化流体的仿真参数,提高不同手术应用场景的适应性。

微创手术过程中手术烟雾的仿真与机理研究进展

2  针对手术烟雾仿真的计算优化架构基本形成

在传统的VPM方法中,每一时间步的计算需先将速度形式的N-S方程转化为涡量形式求解,因而难以实现可交互式的仿真。本项目创造性地提出先采用粗糙网格计算烟雾流体的速度场,然后直接根据网格点的速度矢量计算用于描述流体运动的涡粒子的涡量,从而避免了直接求解计算量庞大的涡量形式N-S方程。另外还同步开发了针对烟雾流体的GPU并行计算架构,如图3所示,采用独立的GPU计算线程来计算模型内每一个涡粒子的受力情况,并采用共享内存的方式来优化数据传输,从而有效提升了仿真过程中的计算效率。结果显示,该方法相对传统基于CPU的仿真在不同应用场景中可实现15~21倍的速度提升[1,3]

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3  基于虚拟现实的手术训练应用取得明显效果

现阶段该项目提出的手术烟雾仿真已被成功应用于病变血管切除手术和肝脏肿瘤消融手术的训练当中。如图4所示,所提出的仿真算法对微创手术的环境还原度较高,体现了很好的可交互性并最大程度地保留了烟雾流体的物理性和细微结构。根据参与实验的医师反馈,该仿真可有效提高微创手术的训练效率,有利于熟悉手术烟雾生成时的操作步骤,降低手术风险,并对手术规划的辅助提供了高精度的解决方案。

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