基于质点—弹簧模型的人体软组织形变技术的研究

摘要

随着现代医疗技术的不断完善和发展，虚拟现实技术与外科手术的完美结合，形成了现代医学领域中的重要应用——虚拟手术。虚拟手术在视觉与触觉感官上为用户提供了手术场景的真实再现，可应用于外科医生培训、手术效果预测和手术导航等领域，对手术训练和复杂手术的推广起到巨大的推动作用。由于在实施外科手术的过程中，医生接触的大部分是人体软组织，因此，人体软组织形变的仿真是虚拟手术的关键技术之一，并严重制约着虚拟手术技术的发展。在人体软组织形变仿真的过程中，系统必须保证稳定性并且满足形变效果精确度的要求；同时，由于仿真系统必须保证实时交互，因而实时性也是软组织形变中最重要的要求之一。因此，虚拟手术中人体软组织形变的仿真必须满足稳定性、精确性和实时性的要求。本文将从上述三方面要求出发，对虚拟手术仿真系统中人体软组织形变技术展开研究。 在稳定性方面，本文对现有的软组织形变的物理模型进行了对比分析，选择质点—弹簧模型作为本文软组织形变系统的建模基础，并通过改进的正六边形质点—弹簧拓扑结构保证了软组织形变稳定性的要求；在精确性方面，通过对软组织形变动力学模型的建立及分析，选择中点法作为模型的数值算法，与其它数值算法相比，该算法在精确性和实时性上表现出较好的优势；在实时性方面，本文通过改进的寻找“最近邻质点”方法，大大减少了计算时间，提高了软组织形变效率，极大的满足了实时性的要求。 良好的虚拟手术仿真系统必须同时满足视觉和触觉感官的要求。在视觉渲染上，本文利用OpenGL三维图形标准建立了虚拟人体软组织表面模型；在触觉交互上，本文利用PHANToM Omni触觉交互设备实现虚拟手术器械与人体软组织模型的交互作用，采用基于弹簧—阻尼器模型作为软组织形变力觉交互的计算模型。最后，本文给出了人体软组织形变系统的相关仿真实验。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2软组织形变技术介绍

1.3国内外研究现状

1.4本文研究内容及结构安排

第2章人体软组织形变模型及拓扑结构的研究

2.1人体软组织结构和物理特性

2.2人体软组织建模的物理模型

2.2.1人体软组织建模方法介绍

2.2.2有限元模型

2.2.3质点—弹簧模型

2.2.4有限元模型与质点—弹簧模型的比较

2.3基于质点—弹簧模型的人体软组织拓扑结构

2.3.1常见的人体软组织面模型的拓扑结构

2.3.2常见的人体软组织体模型的拓扑结构

2.4改进的基于质点—弹簧模型的人体软组织拓扑结构

2.4.1改进的基于质点—弹簧模型的拓扑结构

2.4.2改进的基于质点—弹簧模型与传统模型的比较

2.5本章小结

第3章形变模型数值算法与力反馈技术的研究

3.1人体软组织形变的动力学模型

3.2动力学模型数值积分算法的研究

3.2.1数值方法的截断误差

3.2.2欧拉(Euler)法

3.2.3龙格—库塔(Runge-Kutta)法

3.2.4数值积分算法比较

3.3力反馈技术的研究

3.3.1力反馈技术

3.3.2碰撞检测技术

3.3.3力反馈的计算模型

3.4本章小结

第4章人体软组织形变系统整体模型的建立

4.1系统整体结构

4.2系统软硬件开发环境

4.2.1力反馈设备介绍

4.2.2 GHOST SDK软件开发包

4.3 OpenGL三维图形标准介绍

4.4基于OpenGL的人体软组织模型的渲染

4.4.1人体软组织表面逼近方式

4.4.2顶点法向量的计算

4.4.3人体软组织模型渲染

4.5不同逼近方式下的形变效果比较

4.6本章小结

第5章人体软组织形变系统算法优化及实验分析

5.1选择合适的数值积分算法

5.2寻找最近邻质点

5.2.1传统寻找最近邻质点法

5.2.2改进的寻找最近邻质点法

5.2.3两种方法对比及实验结果

5.3人体软组织表面形变仿真及稳定性比较

5.3.1虚拟手术器械与人体软组织表面接触操作

5.3.2稳定性的比较实验

5.4人体软组织形变过程中力反馈的实验分析

5.4.1不同质点数目下软组织形变力反馈的比较

5.4.2不同弹性系数下软组织形变力反馈的比较

5.5本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致 谢