基于GPU并行双轮廓算法的软组织实时切割与力反馈重建网格方法

《Computer Methods and Programs in Biomedicine》：A real-time reconstructed grid method for soft tissue cutting and haptic

本文针对虚拟手术中软组织切割存在的网格畸变、体积损失、计算效率低及手术工具穿透等问题，提出了一种针对GPU计算优化的并行数据结构。研究应用可变形网格框架内的双轮廓算法进行实时网格重建，结合基于符号距离场和手指代理模型的力反馈算法，有效防止了手术工具与软组织碰撞时的穿透问题。仿真结果表明，该方法在实时切割过程中能保留切割区域的非流形表面特征，帧率不随切割次数增加而下降，为更高效、逼真的虚拟手术模拟提供了技术支撑。

　　

在医学训练和术前规划中，虚拟手术系统正发挥着越来越重要的作用。然而，要想在虚拟环境中精准模拟软组织切割操作，研究人员面临着诸多挑战：传统的切割方法往往会导致网格扭曲、组织体积丢失，计算效率也难以满足实时交互的要求，更棘手的是，手术器械与软组织碰撞时容易出现模型穿透现象，严重影响力反馈的真实感和手术模拟的逼真度。

为了解决这些难题，一篇发表在《Computer Methods and Programs in Biomedicine》上的研究提出了一种创新的解决方案。该研究团队开发了一种基于GPU并行加速的双轮廓算法，能够实现精细切割和电凝切割过程中的实时三维重建，同时结合非线性物理建模方法，确保视觉和物理效果同步准确呈现。

研究人员为了开展这项研究，主要采用了几个关键技术方法：首先，他们应用可变形网格框架内的双轮廓算法进行实时网格重建，通过预计算所有可能的体素网格连接方式和每个网格特征点的计算方法，在单个GPU线程内快速确定特征点位置；其次，采用基于符号距离场和手指代理模型的力反馈算法，有效防止手术工具与软组织碰撞时的模型穿透问题；此外，还设计了适应多种操作条件的软组织交互系统，实现了平滑的渐进式切割和稳定的力反馈效果。

研究结果

切割过程比较

通过与传统行进立方体切割算法和四面体切割算法的对比实验，研究发现提出的方法在切割过程中能保持相对较低的体积损失率。在连续切割过程中，该方法帧率下降较为缓慢，而使用四面体细分算法进行切割时，帧率下降更为明显。这表明新方法在保持低体积损失切割和实时性能之间取得了良好平衡。

网格重建效率

研究显示，在处理网格分割时，与使用完整六面体网格结合双轮廓方法的经典方法相比，新方法直接使用六自由度粒子的坐标框架计算特征点位置，避免了更新完整网格顶点列表的需要。对不同粒子数量的网格更新过程进行计时比较表明，新方法在网格重建速度上具有明显优势。

力反馈效果

在力反馈方面，与传统点对面碰撞模型相比，新方法使用符号距离场来近似表示手术工具，结合手指代理模型的力渲染概念，确保手术工具保持在软组织外部，有效防止了穿透问题。当工具从上向下按压时，Z轴方向的力在初始时刻逐渐增大，约2秒后工具在其他位置发生碰撞，此时X和Y方向的力也开始逐渐增大。

交互仿真验证

通过在不同条件下进行软组织交互仿真实验，研究人员验证了算法在实际应用中的效果。实验主要包括软组织切割、撕裂和碰撞效果。结果表明，该方法在软组织切割和碰撞交互方面表现优异，支持不同宽度的切割，能够适应需要多次切割的手术场景。

研究结论与意义

该研究提出的虚拟仿真算法适用于手术刀切割和钝性手术器械切割两种情况，为软组织与手术器械之间的力反馈提供了新颖解决方案。为了满足实时性要求，算法组件均采用CUDA框架进行并行化加速计算，并对几何建模算法的复杂度进行了优化。

值得注意的是，该研究仍存在一定局限性。例如，自适应网格划分中物理建模和几何建模的整合尚未完全实现，仍存在较大的体积损失，且尚不支持无限切割，这对模拟薄壁异质软组织提出了挑战。与传统网格切割方法相比，由于特征点漂移，该方法在大变形情况下可能导致切割面两侧突然分离，而非平滑分裂。

尽管如此，这项研究为虚拟手术模拟技术带来了重要突破。通过创新的并行计算方法和力反馈算法，不仅提高了手术模拟的真实感和实时性，也为未来虚拟手术系统的开发奠定了坚实基础。研究人员表示，未来工作将继续探索虚拟手术模拟技术，特别关注生物力学建模算法，旨在提高虚拟软组织的机械性能和交互体验。

这项技术的成功开发，将有助于医学生和外科医生在无风险的环境中反复练习复杂手术操作，提高手术技能，同时为术前规划提供更精准的模拟平台，最终有望提升手术成功率和患者安全性。