基于SPH和流体动力学的皮肤表面上三维流血模拟

论文摘要

随着计算机科学技术的发展、科技的进步,虚拟现实技术在医学领域的研究与应用得到迅速发展,虚拟手术或称手术仿真技术应运而生,并得到了快速发展。现代医学中,随着微创伤外科、内窥镜手术技术的发展与成熟,医生可以在不直接接触病人器官的情况下进行手术。虚拟手术为医生提供大量低成本的仿真手术训练,使他们能熟练掌握这类手术,让手术的成功率大大提高。更重要的是,在虚拟手术训练过程中加入出血、流血模拟不仅能提高手术的真实性,也能够培训医生处理手术流血情况的能力。本文将皮肤表面流血过程分为三个阶段：皮肤表层毛细血管腔内血流,采用弹性腔模型模拟；皮肤表面破口处血液渗流而出,采用粒子系统模拟；血液和皮肤表面接触后,按连续介质规律流动,采用SPH方法求解N-S方程,并进行仿真模拟。本文主要做了以下几个方面的研究工作：（1）研究了血液成分、血液组成以及血液的流变性质,以便在离散化过程中采用更适合的血液微粒模型进行真实模拟,同时为流血和血液在皮肤表面上流动的仿真模拟提供真实可靠的血液流变性质参数。（2）研究并提出了血粒子的椭球体模型。采用经纬法结合Java3D三角面带绘制椭球体,可灵活控制绘制精度,并可在受力作用下实现变形。（3）研究了弹性腔模型,并提出将弹性腔模型用于皮肤表层毛细血管腔内血液的模拟和血流量计算。（4）研究了皮肤表层毛细血管分布密度,并提出结合毛细血管腔内模型和皮肤破口大小来决定皮肤划破处出血量的计算模型。（5）研究了光滑粒子流体动力学（SPH）方法,采用SPH方法求解N-S方程,并提出在球坐标下的一种消除未知力的方法和更新粒子位置的方法,进而对血流在皮肤表面上的流淌进行仿真模拟。本文在上述研究的基础上用Java3D设计并实现了一个皮肤局部表面上三维流血模拟原型仿真实验,对虚拟手术中流血模拟和三维SPH实现具有一定参考价值。本研究需要在真实性、原型仿真系统完善方面进一步展开研究工作。

论文目录

摘要

Abstract

第1章前言

1.1 问题的提出

1.2 流血模拟背景和现状

1.3 本文研究的主要工作

1.4 文章组织结构

第2章虚拟流血模型

2.1 血液流变性质

2.2 毛细血管模型

2.2.1 弹性腔模型

2.2.2 毛细血管出血量模型

2.3 基于粒子系统的毛细血管管口出血模型

2.3.1 血粒子模型

2.3.2 血粒子系统模型

2.3.2.1 血粒子的产生

2.3.2.2 血粒子的运动状态

2.3.2.3 血粒子消亡

2.3.2.4 血粒子渲染

2.4 基于SPH血液流动计算模型

2.4.1 流体动力学模型

2.4.2 SPH基本原理

2.4.3 SPH流体动力学

2.4.4 受力分解及消除未知力的方法

第3章流血模拟及可视化

3.1 模拟流程

3.1.1 初始化

3.1.2 边界粒子的产生

3.1.3 最近相邻粒子搜索（NNPS）

3.1.4 血粒子加速度计算

3.1.5 计算结果可视化

3.2 3D开发系统JAVA3D简介

3.2.1 Java3D与其他三维技术的比较

3.2.2 Java3D编程原理

3.2.3 Java3D能力和性能

3.3 实验结果及分析

3.3.1 实验硬件和软件结构

3.3.2 实验结果

第4章总结与展望

4.1 本文工作总结

4.2 今后的研究工作

参考文献

虚拟手术关键技术和流血模拟研究综述

摘要

第1章虚拟手术仿真系统原理及发展

1.1 引言

1.2 虚拟手术的背景及意义

1.3 虚拟手术的研究概况

1.4 虚拟手术系统的组成

1.5 虚拟手术关键技术

第2章虚拟手术相关技术

2.1 有限元算法及网格生成

2.1.1 有限元网格生成算法简介

2.2 粒子系统理论

2.2.1 引言

2.2.2 粒子系统的基本原理

2.2.3 粒子系统的形式描述

2.2.4 粒子系统的基本模型

2.2.4.1 粒子的产生

2.2.4.2 粒子的属性

2.2.4.3 粒子的运动状态

2.2.4.4 粒子的消亡

2.2.4.5 粒子的渲染

2.2.5 粒子系统的基本结构

2.3 流体力学相关知识

2.4 计算流体力学概述

2.5 本章小结

第3章光滑粒子流体动力学（SPH）

3.1 基于网格的方法

3.1.1 拉格朗日网格

3.1.2 欧拉网格

3.1.3 拉格朗日网格与欧拉网格的结合

3.1.4 基于网格的数值方法的局限性

3.2 无网格法

3.3 光滑粒子流体动力学（SPH）

3.3.1 SPH的概念和基本方程

3.3.2 SPH的基本思想

3.3.3 SPH的基本方程

3.3.3.1 函数的积分表示

3.3.3.2 函数的导数积分表示法

3.3.3.3 粒子近似法

3.4 SPH方法在广义流体动力学问题中的运用

3.4.1 拉格朗日型的Navier-Stokes方程

3.5 用SPH公式解NAVIER-STOKES方程组

3.5.1 密度的粒子近似法

3.5.2 动量方程的粒子近似法

3.5.3 能量方程的粒子近似法

3.6 本章小结

参考文献

Skin Surface Three Dimension Bleeding Simulation Based on SPH and Fluid Dynamics

Abstract

Chapter 1 Introduction

1.1 Issues Raised

1.2 Background and Status of Bleeding Simulating

1.3 The Main Work of This Study

1.4 Article Structure

Chapter 2 Virtual Bleeding Model

2.1 Hemorheology

2.2 Capillary Model

2.2.1 Flexibility Cavity Model

2.2.2 Capillary Bleeding Quantum Model

2.3 The Capillary Bleeding Model Based on Particle System

2.3.1 Model of Blood Particle

2.3.2 Blood Particle System Model

2.4 Blood Flowing Calculation Model Based on SPH

2.4.1 Fluid Dynamics Model

2.4.2 Basic Theory of SPH

2.4.3 SPH Flowing Dynamics

2.4.4 The Way to decomposition and elimination of the unknown force

Chapter 3 Bleeding Simulation and Visualization

3.1 Simulation Flowing

3.1.1 Initialization

3.1.2 The Generation of Border Particles

3.1.3 Nearest Nearby Particles Search（NNPS）

3.1.4 Blood Particle Acceleration Calculation

3.1.5 The Visualization of Computational Results

3.2 3D Development System Java3D Introduction

3.2.1 Comparison Java3D with other three-dimensional Technology

3.2.2 Java3D Programming Principles

3.2.3 Java3D Capacity and Performance

3.3 Experimental Results and Analysis

3.3.1 Experimental Hardware and Software Architecture

3.3.2 Experimental Results

Chapter 4 Summary and Expectation

4.1 Summary

4.2 Future Research Work

Reference

Key Technology Research Summary of Virtual Surgery and Bleeding Simulation

Abstract

Chapter 1 Theory and Development of Virtual Surgery Simulation System

1.1 Introduction

1.2 Background and Significance of Virtual Surgery

1.3 Research Overview of Virtual Surgery

1.4 The Composing of Virtual Surgery System

1.5 Virtual Surgery Key Technologies

Chapter 2 Related Technology of Virtual Surgery

2.1 Finite Element Algorithm and Mesh Generation

2.1.1 The brief introduction of Finite Element Mesh Generation Algorithm

2.2 Particle System Theory

2.2.1 Introduction

2.2.2 The Basic Principle of Particle System

2.2.3 The Form Description of Particle System

2.2.4 The Basic Model of Particle System

2.2.4.1 The Generation of Particle

2.2.4.2 Particle Attribute

2.2.4.3 The State of Particle Motion

2.2.4.4 Demise of Particle

2.2.4.5 Particle Rendering

2.2.5 Basic Structure of Particle System

2.3 Correlative Knowledge of Hydrodynamics

2.4 Summarize of Computational Fluid Dynamics

2.5 Brief Summary

Chapter 3 Smoothed Particle Hydrodynamics（SPH）

3.1 Grid-Based Methods

3.1.1 Lagrangian Grid

3.1.2 Euler Grid

3.1.3 The Combination of Lagrangian Grid and Eulerian Grid

3.1.4 The Limitations of Numerical Methods Based on the Grid

3.2 Meshfree Methods

3.3 Smoothed Particle Hydrodynamics（SPH）

3.3.1 Basic Concept and Equation of SPH

3.3.2 Basic Idea of SPH

3.3.3 Basic Equation of SPH

3.3.3.1 The Integral Representation of Function

3.3.3.2 Derivative Integral Representation of Function

3.3.3.3 Particle Approximation Method

3.4 The Application of SPH Methods in the Broadest Sense Fluid Dynamics

3.4.1 Lagrange Navier-Stokes Equations

3.5 Using SPH Formula to solve Navier-Stokes Equations

3.5.1 Particle density Approximation

3.5.2 Particle Approximation of Momentum Equation

3.5.3 Particle Approximation Method of Energy Equation

3.6 Brief Summary

Reference

攻读学位期间发表的学术论文和研究成果

致谢

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