论文摘要
进入20世纪后期,以腔镜技术为代表的微创外科手术技术发展迅速。微创手术与传统手术比较,具有创伤小、恢复快、并发症少、麻醉时间短等优点。因此微创手术正在得到广泛的发展和应用。然而,由于微创手术本身的特点,医生只能通过内窥镜看到病人体内的局部状况,这样对医生来说手术难度大大增加,而且对经验值的依赖也比传统手术来的高。所以对医生来说,术前的训练十分重要。本文所探讨的虚拟手术系统的目的就是利用计算机虚拟现实技术给医生提供手术的训练环境,让更多的医生更短时间内掌握微创手术技术。本文主要研究保证系统视觉真实感的手术场景的渲染和整个虚拟手术平台的构建。首先通过研究流体力学的Navier-Stokes方程组的数值化解法来进行体内血流在内窥镜视野中的渲染,造成内窥镜镜头模糊的效果,训练医生在此特殊环境下的处理。然后通过模拟其他的场景元素:组织液漂浮物,人体体腔背景贴图和手术器械建模等,来让手术场景更加真实。最后章节简述了系统的层次架构和模块化设计,如何使整个系统降低耦合度,对各个场景渲染模块进行实验以确定达到最佳的视觉效果,并且讲述了如何把血流渲染子模块整合到现有模拟系统中。本文的工作和主要创新点如下:1.对与系统训练效果直接相关的血流渲染模块进行了重点的研究。对不同的数值化方法进行了比较分析,决定一个最适合本系统的方法来实现血流模拟。2.实现血流渲染模块并且按照系统的需求把算法进行了修改和创新,如边界条件的处理等。也对相关参数进行了调试,使渲染的视觉效果更加的逼真。3.使用不同的技术模拟其他的场景元素,如用粒子系统模拟了组织液漂浮物,用不同的混合设置进行背景的贴图处理,创新性的使用了矩阵管道准确定位手术器械模型。4.对整个手术系统的框架进行了模块化的重建,运用了设计模式的知识,对模块间的交互等进行低耦合设计,大大的提高系统的可扩展性和可维护性。5.把用OpenGL实现的血流渲染子模块整合到虚拟手术训练系统平台中。创新的设计出使用VTK的多边形源数据模拟OpenGL原语的整合方法。
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摘要Abstract第1章 绪论1.1 背景与应用1.2 主要贡献1.2.1 血流模拟渲染1.2.2 组织液漂浮物的模拟渲染1.2.3 手术器械的建模和渲染以及系统的构建1.2.4 虚拟微创手术系统平台的构建1.2.5 血流渲染模块嵌入虚拟微创手术系统1.3 章节安排第2章 虚拟微创手术系统介绍2.1 虚拟微创手术概念介绍2.2 可视化技术2.2.1 相关技术背景2.2.2 相关图像处理算法算法2.3 虚拟仿真手术训练系统需求分析2.3.1 总体系统需求2.3.2 视觉效果仿真要求2.4 小结第3章 血流模拟流体力学基础3.1 引言3.2 流体力学理论3.3 Navier-Stokes 方程3.3.1 基本方程3.3.2 连续性方程（守恒方程）3.4 拉格朗日观察和欧拉观察3.5 不可压缩性——物质守恒3.6 边界条件3.7 数字模拟方法3.7.1 数值化方法综述3.7.2 分割方程3.7.3 分割Navier-Stokes 方程3.7.4 时间间隔的确定3.8 小结第4章 血流模拟数值计算实现方法4.1 引言4.2 基于网格的方法4.2.1 综述4.2.2 拉格朗日网格4.2.3 欧拉网格4.2.4 拉格朗日网格和欧拉网格的比较4.2.5 具体网格实现技术4.3 基于粒子的方法4.3.1 非耦合粒子4.3.2 耦合粒子系统4.3.3 光滑粒子流体动力学4.4 本系统使用实现方法——稳定的半拉格朗日法4.4.1 简化Navier-Stokes 形式4.4.2 网格化4.4.3 具体算法流程4.4.4 密度解决迭代4.4.5 速度场解决迭代4.4.6 边界条件的确定4.5 小结第5章 其他场景元素模拟实现方法5.1 引言5.2 组织液漂浮物的模拟5.2.1 目的效果5.2.2 渲染特点分析5.2.3 模拟算法5.3 背景纹理贴图5.3.1 真实手术背景分析5.3.2 透明融合设定5.4 手术器械模拟5.4.1 虚拟设备介绍5.4.2 工具模型5.4.3 坐标系统的变换5.4.4 可视化流程5.5 小结第6章 虚拟微创手术系统与实验6.1 引言6.2 开发系统环境描述6.3 系统架构6.3.1 软组织形变和响应子系统6.3.2 场景渲染子系统6.3.3 系统模块设计6.4 系统功能简要介绍6.5 场景渲染模块实验6.5.1 血流渲染模块实验6.5.2 组织液漂浮物渲染模拟实验6.5.3 手术器械模型6.6 血流渲染模块集成入系统6.6.1 集成的难点6.6.2 解决方法设计6.7 本章小结第7章 结论与展望7.1 本文的工作总结7.2 未来的工作参考文献致谢攻读学位期间发表的学术论文
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