虚拟下颌角整形手术训练系统关键问题研究

论文摘要

虚拟现实技术是指通过多媒体技术与仿真技术相结合生成逼真的虚拟环境,使用户以自然的方式与环境中的物体进行交互,从而产生身临其境感的一种技术。虚拟手术仿真技术是虚拟现实技术在医学领域的应用,近二十年来这种新型的技术得到了蓬勃发展,这首先得益于虚拟现实在复杂人体三维解剖体数据可视化上的应用,随后发展为可以对人体的可视化结构数据进行实时的操作,运用该技术可以使医务工作者沉浸于虚拟的场景内,学习并体验如何实际的操作各种手术器械,同时学会应付各种临床手术的实际操作。本论文对下颌角的整形手术训练模拟的关键技术进行了研究,重点研究磨骨手术工具与下颌骨模型之间交互的模拟过程,设计并提出了一种基于冲量定理和库仑定律的真实可靠的力反馈模型,开发了同时具备视觉和触觉模拟的虚拟手术训练系统。首先,介绍了使用体数据可视化算法中的面绘制方法,并给出了使用的MarchingCubes方法进行三维重建的头盖骨模型。其中,在骨骼模型三维重建的图像预处理阶段还提出并设计了基于GABOR滤波的MRI图像的边缘检测方法,有效地将头部图像中各部分组织的边缘提取出来,随后根据后续创建力模型的要求,对原始三维模型再进行细分。其次,根据虚拟下颌骨整形手术仿真的需要,针对骨钻与骨骼之间的碰撞问题,提出了基于AABBTree算法的多点碰撞检测模型;基于工具的自转对骨骼产生巨大的冲击力,从而导致骨骼的磨损或去除,论文中结合冲量定理和库仑定律的理论,提出了基于刚体碰撞的力反馈模型来模拟当骨钻与骨骼发生碰撞时骨钻受到的冲击力,体现了骨钻的自转这个重要特征对力模型的影响;在虚拟手术模拟过程中将骨骼和骨钻都视为刚体,提出了适用于刚性物体的骨骼表面变形方法,此方法无需修改表面三角面片的拓扑结构。最后,针对不同的因素对力模型的进行测试,并分析了影响力模型的关键因素和它们之间的关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.3 研究的目的
• 1.4 本系统的框架设计
• 1.5 本论文的主要工作
• 2 力反馈技术
• 2.1 力反馈技术的应用
• 2.2 触觉、计算机触觉和力反馈的相关概念
• 2.3 力反馈技术的基本原理
• 2.4 触觉交互设备:Phantom Omni Desktop
• 3 下颌骨和手术工具的三维重建模型
• 3.1 基于GABOR滤波的MRI图像边缘检测
• 3.2 基于医学图像的可视化方法
• 3.3 Marching Cubes算法
• 3.4 细分模型曲面
• 4 碰撞检测
• 4.1 碰撞检测的方法
• 4.2 基于虚拟手术系统的多点碰撞检测模型
• 5 力觉模型的建立
• 5.1 基本原理
• 5.2 力反馈模型
• 6 骨骼表面的变形
• 6.1 形变的主要方法
• 6.2 基于工具的骨骼表面变形方法
• 6.3 骨骼表面形变的结果
• 7 力觉交互模型实验
• 7.1 实验环境
• 7.2 实验设计
• 8 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间主要成果