虚拟手术中三维骨组织分割及碰撞检测技术研究与实现

论文摘要

本课题得到了国家自然科学基金“计算机辅助三维整形外科手术计划与预测关键技术研究”(N60573179)项目支持。随着计算机处理技术的发展，利用计算机辅助整形外科手术计划和结果预测已经成为了整形外科的发展方向。利用多种医学影像数据，采用虚拟现实技术，通过在计算机中建立的整形手术模拟平台对外科手术进行计划及预测已经越来越受到人们的关注。本文介绍了计算机辅助整形手术计划和预测系统的应用前景及国内外现状，并在研究了建立手术计划虚拟环境要素的基础上提出了快速空间拾取及三维骨组织分割的算法及实现思路，并且对碰撞检测技术进行了深入研究，最终在这些研究的基础上实现了具有三维骨组织分割及碰撞检测功能的三维手术计划虚拟环境平台。本文的主要研究内容包括：1．针对虚拟环境中大量三维模型同时存在，且模型由大量的三角面片构成的特点，提出采用网格划分方法对空间拾取算法进行改进，对拾取前的模型进行预处理，快速剔除不可能发生拾取的体元，缩小精确运算范围。实验证明本算法有效提高了拾取速度。2．根据三维模型的特殊性：体素为三角面片，提出了一种三维骨组织的分割算法。算法通过对平面任意多边形的凸分割算法的应用，实现了模拟手术刀的骨组织任意分割，较好的克服了当前分割技术中切口多成简单几何形状的缺陷。3．实现了碰撞检测功能。分析了当前已有的碰撞检测技术，针对三维模型形状不规则的难题和方向包围盒OBB算法在包围盒方向上具有任意性的特点，采用该算法实现了系统中三维模型碰撞检测的功能。4．根据以上的研究，本文设计实现了计算机三维虚拟外科手术操作平台“SurgeryOperSystem”。该系统具有快速空间拾取，三维骨组织分割，三维模型碰撞检测功能，在计算机辅助整形外科手术计划和预测方面，具有一定的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外现状
• 1.3 论文的主要工作
• 1.4 本文章节安排
• 第二章 计算机虚拟手术系统关键技术综述
• 2.1 模型数据获取
• 2.2 虚拟手术系统中的关键技术
• 2.2.1 空间拾取算法
• 2.2.2 三维骨组织切割
• 2.2.3 虚拟环境中的碰撞检测
• 2.3 本章小结
• 第三章 三维模型的快速空间拾取
• 3.1 引言
• 3.2 射线法拾取算法
• 3.2.1 空间变换求取射线矢量
• 3.2.2 射线矢量与三角形图元求交
• 3.3 网格划分实现快速空间拾取
• 3.4 本章小结
• 第四章 三维模型切割技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 三角形与平面的位置关系
• 4.3 三维模型平面分割算法
• 4.3.1 计算切割平面
• 4.3.2 平面分割处理
• 4.3.3 切割轨迹计算
• 4.4 三维模型封闭区域分割算法
• 4.4.1 简单多边形的相关概念
• 4.4.2 简单多边形的凸单元分割
• 4.4.3 封闭区域分割处理
• 4.5 本章小结
• 第五章 利用碰撞检测增强系统真实感
• 5.1 引言
• 5.2 碰撞检测概述
• 5.2.1 碰撞检测定义
• 5.2.2 碰撞检测算法的一般框架
• 5.3 包围盒层次结构
• 5.3.1 包围盒树
• 5.3.2 构造包围盒树
• 5.4 基于包围盒树的 OBB 碰撞检测算法
• 5.4.1 OBB 的计算
• 5.4.2 OBB 树的建立
• 5.4.3 OBB 树的相交测试
• 5.4.4 碰撞检测搜索算法
• 5.4.5 基本几何元素相交测试
• 5.5 本章小结
• 第六章 三维交互技术
• 6.1 三维交互概述
• 6.1.1 硬件交互工具
• 6.1.2 三维交互算法
• 6.2 三维旋转
• 6.2.1 跟踪球控制器
• 6.2.2 简化跟踪球控制器
• 6.3 图形显示的人机交互
• 6.3.1 改变绘制方法
• 6.3.2 改变显示方式
• 6.3.3 改变参数
• 6.3.4 改变相关数据
• 6.3.5 标注图像
• 6.3.6 选择目标
• 6.4 本章小节
• 第七章 系统分析与实现
• 7.1 系统设计
• 7.2 系统运行界面
• 7.3 实验结果分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录