基于质点—弹簧模型的人体软组织形变技术的研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 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