虚拟眼角膜建模与实时手术仿真关键技术研究

论文摘要

虚拟器官的建模与仿真是当前国际上研究的前沿课题。眼睛作为人体中一个极为精密且十分重要的器官,其建模与仿真的实现具有十分重要的意义。角膜是人眼的重要组成部分,角膜的特性对于眼疾病的诊断和治疗有着重要的意义,研究角膜的形态特征、物理特性,对其进行建模与仿真具有重要的学术意义和临床应用价值。首先,本文建立一种理论模型,对HO:YAG激光角膜热成形术进行了数值模拟,然后建立了正常成人眼角膜前表面基本数学模型,并在该模型基础上,实现了角膜前表面的可视化。之后,基于眼球组织切片数据,提出了虚拟手术仿真中建立眼角膜的几何模型的方法。最后,建立了人眼球弹簧—质点模型,为进一步进行人眼球的虚拟手术仿真研究打下了基础。本文的研究工作内容及创新主要包括以下几点:1.参考实际的激光角膜热成形手术参数,建立一种理论模型,模拟用高斯分布的激光作用于角膜表面的情况,对角膜的温度场分布进行数值模拟。2.根据前人测量的角膜前表面两条主子午线顶点曲率半径和形状系数,使用随机方法来建立正常成人角膜前表而的数学模型。之后利用该模型不同切面间采样点个数和采样顺序相同的特点,实现了角膜前表面的可视化。3.考虑生物膜组织的一些主要特征,建立了人眼球弹簧—质点模型。为加速计算,模型中使用了质点队列和半边数据结构及计算质点位移的Verlet积分法,实现了虚拟眼球的接触虚拟仿真。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的背景
• 1.2 国内外研究的现状
• 1.3 本课题的研究工作和创新之处
• 1.3.1 本课题研究工作
• 1.3.2 本文主要创新点
• 1.3.3 本文的组织结构
• 第二章 眼角膜的生理结构及人眼的视光学原理
• 2.1 眼睛的结构
• 2.2 眼角膜的组织结构
• 2.3 屈光原理及屈光不正
• 2.3.1 屈光原理
• 2.3.2 屈光不正的产生原理
• 第三章 HO:YAG激光角膜热成形术的数值模拟
• 3.1 激光照射在生物组织上的功效
• 3.2 激光角膜热成形术的实现原理
• 3.3 激光角膜热成形术简介
• 3.4 理论模型的建立
• 3.5 参数的确定
• 3.6 激光作用下角膜组织的温度场分布
• 3.7 不同激光参数对光凝点温度变化的影响
• 3.8 实验结果分析
• 3.9 本章小结
• 第四章 角膜前表面基本模型及其可视化
• 4.1 角膜前表面基本模型构建的理论基础
• 4.2 角膜前表面的数学模型的推导
• 4.3 角膜前表面的三维可视化
• 4.4 本章小结
• 第五章 实时手术仿真中眼角膜的几何建模
• 5.1 眼球组织切片的分割配准等预处理工作
• 5.2 角膜的三角片网格生成
• 5.2.1 表面绘制法简介
• 5.2.2 角膜切片图像的层间插值
• 5.2.3 切片图像的角膜网格生成算法
• 5.3 应用拉普拉斯方法平滑眼角膜网格
• 5.4 平滑基础上的眼角膜网格化简
• 5.4.1 顶点删除法
• 5.4.2 边折叠法
• 5.5 眼角膜的网格生成过程
• 5.6 本章小结
• 第六章 生物膜组织交互实时仿真研究
• 6.1 生物膜组织的基本特征
• 6.2 变形计算建模
• 6.2.1 质点弹簧模型
• 6.2.2 改进的面模型质点弹簧建模
• 6.3 碰撞检测
• 6.3.1 触觉设备和可变形膜组织之间的碰撞检测
• 6.3.2 可变形膜组织和附着体之间的碰撞检测
• 6.4 实时交互仿真中用到的数据结构
• 6.4.1 按广度优先搜索的质点队列
• 6.4.2 半边数据结构
• 6.5 触觉反馈
• 6.6 Verlet积分法及其实验结果
• 6.6.1 Verlet积分法
• 6.6.2 Verlet积分法的实验结果
• 6.7 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢