论文题目: 微创手术培训系统软件平台设计
论文类型: 硕士论文
论文专业: 机械电子工程
作者: 王振华
关键词: 虚拟现实,微创手术,手术培训系统
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 目前,微创手术技术在医学领域的应用越来越广泛,而微创手术医生掌握该技术却需要较长的时间和昂贵的费用,为了解决微创手术医师的培训问题,本文设计和开发了微创手术培训系统软件平台。本培训系统以VC++6.0为软件开发环境,利用开放式图形库OpenGL搭建了虚拟环境仿真平台,完成了微创手术培训软件系统的对象建模(包括几何模型、物理模型和计算模型)、碰撞检测、人机交互界面、模型渲染(纹理贴图、光照材质等)和训练方案等程序模块的设计,为受训者提供了一个逼真的虚拟手术训练环境。根据微创手术的应用范围,利用3D建模软件3DS MAX和Pro/E分别对涉及到的人体组织器官和手术器械进行几何建模。通过编写接口程序,在OpenGL环境下基于三角形网格造型法重新构建器官和手术器械模型的“面模型”。本文对虚拟手术过程中软组织(人体器官)与刚性物体(手术器械)的碰撞检测问题进行了深入研究。分析了层次包围盒碰撞检测算法的实现流程和基本几何元素间的相交测试计算。本系统基于AABB包围盒设计了一套碰撞检测算法从而实现了虚拟手术场景中模型的碰撞检测和包围盒更新。本系统在线弹性物理模型的基础上,构造质点-弹簧模型作为人体器官的计算模型,引入弹性系数、阻尼系数、质量等参数来表现人体器官的物理特性。采用邻接矩阵表示模型的拓扑结构,并构造了模型的动力学方程,求解方程即可得到人体器官模型的形变和力反馈。利用VC++6.0和OpenGL搭建的平台完成了系统人机交互界面模块、模型渲染模块和通讯模块等功能模块的开发,实现了设计的几种手术培训方案,使手术医师在虚拟手术环境下体验真实手术操作。微创手术培训软件系统的运行效果表明,基于虚拟现实技术的手术训练系统能够使受训者沉浸于逼真地手术操作中,实现手术医师与虚拟对象之间实时的交互作用,达到训练手术医师操作技能的目的。本文的研究成果,对于快速、经济地培养合格的微创手术医师有重要的实际意义,有助于微创手术技术的推广。
论文目录:
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 虚拟现实概述
1.1.1 虚拟现实的概念和特征
1.1.2 虚拟现实系统的构成
1.1.3 虚拟现实系统在医学上的应用
1.2 微创手术培训系统概述
1.2.1 微创手术的概念
1.2.2 微创手术培训系统的概念和意义
1.3 国内外研究动态
1.3.1 国外研究动态
1.3.2 国内研究动态
1.4 本课题主要研究内容
第二章 微创手术培训系统软件开发环境
2.1 OpenGL 介绍
2.1.1 OpenGL 概述
2.1.2 OpenGL 的基本功能
2.1.3 OpenGL 的处理结构
2.2 OpenGL 与其他工具包的不同
2.3 OpenGL 在VC++6.0 下编程要点
2.3.1 Windows 操作系统对OpenGL 的支持
2.3.2 在VC++6.0 中设置OpenGL 和Windows 图形接口的步骤
第三章 手术培训系统的几何建模
3.1 手术培训系统中三维模型的构造
3.2 培训系统中三维模型的重建
3.2.1 面模型和体模型
3.2.2 基于特征造型法的三角形网格造型法
3.2.3 手术器械几何模型重建
3.2.4 人体器官几何模型重建
第四章 虚拟手术培训场景中对象的碰撞检测
4.1 基于层次包围盒的碰撞检测算法
4.2 基于层次包围盒的碰撞检测算法的实现
4.3 基本几何元素间的相交测试
4.3.1 超平面
4.3.2 三维空间中的三角形相交测试
4.3.3 二维平面中的三角形相交测试
4.4 本系统采用的碰撞检测算法
4.4.1 基于AABB 的碰撞检测算法
4.4.2 视点与虚拟对象的碰撞检测
4.4.3 虚拟物体间的碰撞检测
4.5 AABB 包围盒的更新
4.5.1 时空相关性
4.5.2 手术器械模型运动后AABB 的更新
4.5.3 人体器官模型变形后AABB 的更新
4.6 算法性能评价
第五章 虚拟人体器官组织形变仿真
5.1 人体器官组织的力学特性
5.2 人体器官物理模型
5.3 人体器官形变计算模型
5.3.1 本系统采用的计算模型
5.3.2 采用质点－弹簧模型的人体器官拓扑结构描述
5.3.3 质点-弹簧/阻尼器动力学模型
5.3.4 质点－弹簧/阻尼器动力学方程数值方法
5.3.5 人体器官模型变形仿真实例
第六章 微创手术系统培训实现
6.1 人机交互界面设计
6.1.1 主显示窗口
6.1.2 控制面板
6.2 系统模块设计
6.2.1 纹理映射模块
6.2.2 光照模块
6.2.3 通讯模块
6.3 系统手术培训方案
6.3.1 微创手术的技法要求
6.3.2 培训方案设计
6.3.3 模拟真实手术操作过程
第七章 总结与展望
参考文献
发表论文和科研情况说明
致谢
发布时间: 2007-04-17
参考文献
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