虚拟手术中小腿模型的构建

论文摘要

虚拟手术仿真的意义在于它将为医学手术训练和相关医学研究提供一个更加方便,易于设定和控制的手段,从而尽量摆脱传统医学研究和实践中各种客观条件的制约,最终达到自由设定和构建手术过程的目标。而任何仿真的基础都是对所关注和研究目标的相关方面的模型构建与分析。相应的,构建被仿真组织和器官的基本模型,是现代虚拟手术仿真的基础。几何模型描述了仿真器官和组织的空间信息,物理模型则描述了实体的受力和变形情况,计算模型为科学计算变形提供了计算方法和手段。 在实践过程中,由于仿真的目的和组织器官结构的不同,以及仿真和研究的侧重点不同,选取实现的方法也有多种。本文主要在研究分析相关的理论的基础上,针对实际构建人小腿模型的工作中遇到问题,提出了解决方法,并进一步实现了构建人小腿的基本模型。 我们从原始的人体切片图出发,选取相应的小腿切片图层,提取内侧两支骨和皮肤的轮廓线。采用断层间轮廓线几何模型重构方法,实现人小腿的几何模型构建。在此过程中,首先采用人工干预加传统边缘算子检测的方法,实现提取目标的轮廓线。并针对切片图层间偏移和错位问题,结合提取出的轮廓线进行了初步的校正。进一步,结合计算模型中有限单元计算特点和人小腿的结构特点,创新地采取将小腿内两支骨的轮廓三角面融合的方法,实现了等价的单层内层轮廓面,解决了实际工程实现中的特殊问题。这样可以直接使用现有的文献中介绍的几何模型构建方法。物理模型和计算模型的实现中,选取基于线弹性模型的有限单元计算方法,并对传统工程上使用的有限元计算方法,根据现实手术对组织和器官的作用特点,进行了相应的简化和改进,来保证实时计算的效率。满足对仿真中视频刷新的要求。同时对其它相关的工作,如相关模型间的优缺点对比、工程实现流程、相应的数据结构、试验环境也做了说明介绍。并在最后给出了实现的结果和分析,对今后的改进做了进一步展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 第二章 空间几何模型重建
• 2.1 体视化技术描述
• 2.2 三维数据重建
• 2.3 轮廓线获取及校正
• 2.4 几何模型的选取和构建
• 第三章 物理模型
• 第四章 计算模型
• 4.1 相关发展和背景
• 4.2 有限单元法
• 4.3 静态方程解
• 4.4 动态方程解
• 4.5 进一步的改进
• 第五章 工程实现描述
• 5.1 流程介绍
• 5.2 采用的部分数据结构
• 第六章 全文总结
• 6.1 试验结果
• 6.2 未来展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明