基于体素模型的虚拟钻骨力反馈模拟与实现

发布时间：2024-05-11 11:36

　　钻骨是外科手术中常见而重要的操作,但这项操作风险大、对医生操作水平要求较高,骨科医生必须要经过手术训练,掌握精准的操作手感后才能对病人进行手术。相比于传统的以尸体、动物甚至病人进行实验的训练方式,虚拟手术训练有着安全、高效、灵活等优点,为医生提升手术技能提供了新的方式。虚拟手术训练中最关键的部分是为受训者提供精准的虚拟钻骨力并能进行实时的力触觉交互。本文致力于解决此问题,设计虚拟钻骨手术训练系统,帮助年轻医生进行手术训练:通过对钻骨过程进行有限元仿真和实验分析,确定钻骨力与主要影响因素的关系,得到关于骨密度、钻头钻削速度和转速的钻骨力预测模型;针对骨组织不均匀特性,建立与骨密度值相关的具有独立体素特征的骨组织模型,基于此模型设计相关的快速碰撞检测、体素去除等算法,保证虚拟钻骨过程中反馈力的准确与稳定;钻骨操作进行时,系统实时读取钻头钻削速度、碰撞点骨密度等,通过钻骨力预测模型计算得到钻骨力反馈给受训者,受训者感受到钻骨反馈力。本文以VS2015为集成开发环境,在算法研究的基础上结合开源库CHAI 3D、OPENGL开发了虚拟钻骨手术系统,并将实现代码整合成开源类库。医生通过观看实时的手...

【文章页数】：82 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景
    1.2 虚拟钻骨手术仿真概述
        1.2.1 虚拟钻骨手术仿真流程
        1.2.2 虚拟钻骨手术研究现状
    1.3 论文的主要内容与章节安排
第二章 基于体素的骨组织模型的建立
    2.1 虚拟手术的骨组织建模概述
    2.2 数据预处理
    2.3 体素模型的建立
        2.3.1 体素空间生成
        2.3.2 骨组织表面体素的识别
        2.3.3 骨组织内部体素的识别
        2.3.4 骨组织外部体素的删除
    2.4 本章小结
第三章 钻骨力预测模型的建立
    3.1 有限元分析
        3.1.1 有限元模型的建立
        3.1.2 有限元仿真试验结果
    3.2 钻骨实验分析
        3.2.1 钻骨实验设计
        3.2.2 实验结果分析
    3.3 虚拟钻骨力预测模型的建立
    3.4 本章小结
第四章 虚拟钻骨力反馈模拟与实现
    4.1 钻骨反馈力的精准模拟
        4.1.1 力反馈概述
        4.1.2 碰撞检测算法
        4.1.3 体素删除算法
        4.1.4 力反馈小结
    4.2 视觉渲染
        4.2.1 视觉渲染概述
        4.2.2 视觉渲染优化算法
        4.2.3 视觉渲染小结
    4.3 虚拟钻骨手术系统实现与评价
        4.3.1 虚拟钻骨手术系统实现
        4.3.2 虚拟钻骨手术系统评价
    4.4 本章小结
第五章 全文总结与未来展望
    5.1 本文工作总结
    5.2 本文创新点
    5.3 研究展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间已发表的论文



本文编号：3969893