虚拟手术中的切割方法研究

论文摘要

虚拟手术仿真系统是一个模拟医生进行手术过程的虚拟现实应用系统。它通过模拟手术过程中可能出现的各种情况,使医务工作者能够在虚拟的场景内练习手术操作并学习如何应付手术中的突发事件。利用虚拟手术仿真系统进行手术训练可以节约培训医务人员的费用和时间,降低医务工作者练习手术操作的风险性,对促进医学水平的提高有着非常重要的意义。软组织切割操作是虚拟手术的重要组成部分,对切割操作的模拟要求能够做到具有较好的实时交互性与稳定性,同时又能够给操作者从视觉和触觉上带来逼真的沉浸式体验。本文对虚拟手术中四面体模型切割的算法复杂度、实时性和稳定性进行研究。算法复杂度和实时性方面,对目前虚拟手术中四面体切割的体元细分算法进行了介绍和分析,并针对该算法的缺点提出一种新的四面体剖分算法,对原四面体细分切割算法中的3类不完全切割四面体进行剖分,转化为另2类完全切割四面体类型,使原有的5种切割类型化简为2种,并对四面体切割过程中可能出现的特殊情况进行了分类处理,大大简化了四面体切割的分类,进而提高了四面体切割算法的执行速度。稳定性方面,为了减少切割算法中生成的不规则四面体单元的数目,提出了基于边长和切割延长线的切割点平移策略,在不影响切割算法实时性和真实感的前提下提高了切割后的模型质量,进而提高了连续切割操作下系统的稳定性。在计算机仿真环境下实现了上述切割和切点平移算法,对实验结果进行了分析比较。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 本文的内容组织安排
• 第二章 虚拟手术系统概述
• 2.1 虚拟手术的交互处理过程
• 2.2 虚拟手术系统框架与关键技术
• 2.3 影响虚拟手术系统的瓶颈
• 2.4 虚拟手术仿真平台的搭建
• 2.4.1 相关数据结构定义
• 2.4.2 关键技术与实验控制
• 2.5 本章小结
• 第三章 表面网格切割算法
• 3.1 算法描述
• 3.1.1 切点位置判断
• 3.1.2 切割过程
• 3.2 实验仿真
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于体元细分的四面体切割算法
• 4.1 体元细分切割算法介绍
• 4.2 最小子集算法
• 4.3 一种新的四面体切割算法
• 4.3.1 切割情况的化简
• 4.3.2 特殊切割类型的处理
• 4.3.3 算法描述
• 4.4 实验仿真
• 4.5 本章小结
• 第五章 切割算法对四面体模型质量的影响
• 5.1 评价标准
• 5.2 不规则体元出现的原因
• 5.3 一种基于边长和切割延长线的切点平移算法
• 5.3.1 平移条件的判定与平移步骤
• 5.3.2 算法描述
• 5.4 算法分析
• 5.5 实验仿真
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文研究工作总结
• 6.2 后续的研究工作与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间完成论文情况