Medicine Meets Virtual Reality 13Ja

Medicine Meets Virtual Reality 13
James D. Westwood et al. (Eds.)
IOS Press, 2005
137
Soft Tissue Deformation using
a Nonlinear Hierarchical Finite Element
Model with Real-Time Online Refinement
Alessandro FARACI, Fernando BELLO and Ara DARZI
Department of Surgical Oncology and Technology, St. Mary’s Hospital,
Faculty of Medicine, Imperial College London
Abstract. Simulating soft tissue deformation in real-time is a requirement for realistically
rendering the VR interaction between human organs and surgical tools.
Finite Element Model (FEM) describes complex mechanical and physiological behaviour
but it is computationally too demanding especially when a nonlinear model
is to be implemented. For this reason, we introduce a multiresolution approach to
FEM that only employs the region of the object under deformation to find the solution
of the differential equations of motion. In order to increase the quality of the
deformation, refinement of the original mesh is performed with the insertion of new
surface nodes in real-time in the region of interaction. To guarantee the stability
of the nonlinear model, the presence of flat tetrahedra (slivers) has to be avoided;
therefore a sliver elimination technique has been implemented resulting in a more
stable simulation.
1. Introduction
Several surgical simulators are currently available for training and rehearsing surgical
skills. Although they have reached a considerable level of realism, great improvement
will come from a highly precise simulation of soft tissue deformation and from the integration
of force feedback or haptics. In order to achieve a satisfactory immersion in the
virtual environment, the simulation requires at least 30 frames per second for graphics.
For haptics 1-KHz is a common rate, although there are no firm rules. This rate is an
acceptable compromise allowing presentation of complex objects with reasonable stiffness.
Higher frequencies can provide crisper contact and texture sensations, but at the
expense of reduced scene complexity [1].
Various methods have been proposed for real-time simulation of soft tissue deformation,
such as Mass Spring Models (MSM) [2,3] and the Finite Element Method (FEM)
[4–6]. MSM achieve real-time but lack in accuracy when precise modelling of physiological
behaviour is needed. FEM is more accurate for rendering the mechanical characteristics
of human organs but it is more computationally expensive. Multiresolution techniques
have been proposed as a way of solving the problems that these two methods carry
with them. Multiresolution approaches apply different levels of detail to the mesh that
approximates the object: a higher resolution in the region where the deformation takes
place; a lower resolution far from the region of contact. Increasing the number of points

Kết quả (Việt) 1:

Y học đáp ứng thực tế ảo 13James D. Westwood et al. (chủ biên)IOS Press, 2005137Sử dụng biến dạng mô mềmmột phần tử hữu hạn phi tuyến phân cấpMô hình với thời gian thực trực tuyến tinhAlessandro FARACI, Fernando DARZI BELLO và AraVùng ung thư phẫu thuật và công nghệ, St. Mary's Hospital,Khoa y, Imperial College Luân ĐônTóm tắt. Mô phỏng mô mềm biến dạng trong thời gian thực là một yêu cầu về thực tếlàm cho tương tác VR giữa các bộ phận cơ thể con người và các công cụ phẫu thuật.Mô hình phần tử hữu hạn (FEM) Mô tả các hành vi phức tạp của cơ khí và sinh lýnhưng nó là computationally quá đòi hỏi đặc biệt là khi một mô hình phi tuyếnlà để được thực hiện. Vì lý do này, chúng tôi giới thiệu một phương pháp tiếp cận multiresolution đểFEM mà chỉ sử dụng vùng của đối tượng theo các biến dạng để tìm ra giải phápphương trình vi phân của chuyển động. Để tăng chất lượng của cácbiến dạng, tinh tế của lưới ban đầu được thực hiện với việc thêm nhân vật mớibề mặt nút trong thời gian thực trong khu vực của tương tác. Để đảm bảo sự ổn địnhcủa mô hình phi tuyến, sự hiện diện của tứ diện phẳng (slivers) có thể tránh được;do đó một kỹ thuật loại bỏ mảnh đã được thực hiện dẫn đến một chi tiếtMô phỏng ổn định.1. giới thiệuMột số mô phỏng phẫu thuật hiện có sẵn cho đào tạo và tập luyện phẫu thuậtkỹ năng. Mặc dù họ đã đạt đến một mức độ đáng kể của chủ nghĩa hiện thực, cải tiến lớnsẽ đến từ một mô phỏng rất chính xác của mô mềm biến dạng và từ sự tích hợpquân thông tin phản hồi hoặc haptics. Để đạt được một ngâm đạt yêu cầu trong cácmôi trường ảo, mô phỏng đòi hỏi ít nhất 30 khung hình / giây cho đồ họa.Đối với haptics 1-KHz là một tỷ lệ phổ biến, mặc dù không có không có quy tắc công ty. Tỷ lệ này là mộtthỏa hiệp chấp nhận được cho phép trình bày của các đối tượng phức tạp với độ cứng hợp lý.Tần số cao hơn có thể cung cấp liên hệ crisper và cảm giác kết cấu, nhưng tại cácchi phí giảm cảnh phức tạp [1].Phương pháp khác nhau đã được đề xuất cho thời gian thực mô phỏng của mô mềm biến dạng,chẳng hạn như khối lượng mùa xuân mô hình (MSM) [2,3] và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)[4-6]. MSM đạt được thời gian thực nhưng thiếu trong độ chính xác khi chính xác mô hình của sinh lýhành vi là cần thiết. FEM là chính xác hơn để làm cho các đặc tính cơ họccủa các cơ quan của con người nhưng nó là tốn kém hơn computationally. Multiresolution kỹ thuậtđã được đề xuất như một cách để giải quyết những vấn đề mà những hai phương pháp thực hiệnvới họ. Phương pháp tiếp cận multiresolution áp dụng các cấp độ khác nhau của chi tiết cho lưới màxấp xỉ đối tượng: độ phân giải cao trong vùng nơi biến dạng diễnnơi; độ phân giải thấp hơn xa vùng của số liên lạc. Tăng số điểm

Kết quả (Việt) 2:

Y Meets Virtual Reality 13
James D. Westwood et al. (Eds.)
IOS Press, 2005
137
mô mềm biến dạng bằng cách sử dụng
một phần tử phi tuyến Hierarchical hữu hạn
mô hình với Real-Time Online Refinement
Alessandro FARACI, Fernando BELLO và Ara DARZI
Sở Surgical Oncology và Công nghệ, Bệnh viện St. Mary,
Khoa Y học, Imperial College London
Tóm tắt. Mô phỏng biến dạng mô mềm trong thời gian thực là một yêu cầu đối với thực tế
vẽ các tương tác VR giữa các cơ quan của con người và công cụ phẫu thuật.
Phần tử hữu hạn Model (FEM) mô tả hành vi cơ khí và sinh lý phức tạp
nhưng nó được tính toán quá đòi hỏi đặc biệt là khi một mô hình phi tuyến
là được triển khai thực hiện. Vì lý do này, chúng tôi giới thiệu một cách tiếp cận multiresolution để
FEM mà chỉ sử dụng các khu vực của các đối tượng theo biến dạng để tìm ra giải pháp
của phương trình vi phân của chuyển động. Để nâng cao chất lượng của các
biến dạng, tinh tế của lưới ban đầu được thực hiện với sự chèn mới
các nút mặt trong thời gian thực trong khu vực của sự tương tác. Để đảm bảo sự ổn định
của mô hình phi tuyến, sự hiện diện của tứ diện phẳng (miếng) có thể tránh được;
do đó một kỹ thuật loại bỏ mảnh đã được triển khai thực hiện kết quả trong một nhiều
hơn. Mô phỏng ổn định
1. Giới thiệu
một số mô phỏng phẫu thuật hiện đang có sẵn cho đào tạo và tập luyện phẫu thuật
kỹ năng. Mặc dù họ đã đạt đến một mức độ đáng kể của chủ nghĩa hiện thực, cải tiến tuyệt vời
sẽ đến từ một mô phỏng chính xác cao của biến dạng mô mềm và từ sự tích hợp
của lực lượng phản hồi hoặc haptics. Để đạt được một thỏa ngâm trong
môi trường ảo, mô phỏng đòi hỏi ít nhất là 30 khung hình mỗi giây cho đồ họa.
Đối với haptics 1-KHz là một tỷ lệ phổ biến, mặc dù không có quy định công ty. Tỷ lệ này là một
thỏa hiệp có thể chấp nhận cho phép trình bày các đối tượng phức tạp với độ cứng hợp lý.
Tần số cao có thể cung cấp liên lạc và kết cấu cảm giác crisper, nhưng tại các
chi phí của giảm cảnh phức tạp [1].
Nhiều phương pháp đã được đề xuất cho thời gian thực mô phỏng của mô mềm biến dạng,
chẳng hạn như lễ mùa xuân Models (MSM) [2,3] và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
[4-6]. MSM đạt được thời gian nhưng thiếu chính xác trong khi mô hình chính xác của sinh lý
hành vi là cần thiết. FEM là chính xác hơn để hiển thị các đặc tính cơ học
của các cơ quan của con người nhưng nó là tính toán đắt tiền hơn. Kỹ thuật multiresolution
đã được đề xuất như là một cách để giải quyết những vấn đề mà hai phương pháp này thực hiện
với họ. Phương pháp tiếp cận multiresolution áp dụng mức chi tiết khác nhau cho lưới đó
xấp xỉ với các đối tượng: độ phân giải cao hơn trong các khu vực nơi mà các biến dạng mất
trí; độ phân giải thấp hơn xa các khu vực tiếp xúc. Tăng số lượng các điểm