胸腔镜肺叶切除术交互仿真系统设计与实现

发布时间：2021-02-28 02:05

　　虚拟现实技术作为一种交叉型技术,它融合了计算机图形学、多媒体、人机交互以及网络等多种技术,广泛应用于多种领域。近年来虚拟现实技术发展迅速,同时也为医疗行业开辟了新的发展方向,由该技术开发的虚拟手术系统能够很好的实现对各种微创手术以及复杂的外科手术的重复训练,对一些操作难度较高的手术也能实现术前导航。本文的主要研究内容如下:（1）依据胸腔镜肺叶切除术（VASTL）的手术流程,对本套交互仿真系统的功能需求进行分析,明确了对肺部可视化、肺部软体变形、肺部切割及缝合等进行仿真研究的主要内容,进行了系统的整体设计和系统平台、软硬件功能组件的选型与构建。（2）对目前常用的几种三维重建算法进行了分析,深入研究了本套交互仿真系统使用的MC（Marching Cube）三维重建算法,并使用该算法对肺部进行了三维重建。针对MC算法在重建肺部过程中存在大量空检测循环、重建的模型表面粗糙等缺陷进行优化,并使用GPU的并行加速技术来提升算法执行的效率。（3）对目前常用的几种软体变形算法进行分析,并从算法的稳定性、运行效率以及应用范围等几个方面进行比较,选定综合优势较高的PBD（Position Based Dy... 

【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：85 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题来源
    1.2 课题研究的目的、背景及意义
    1.3 相关领域国内外研究现状
        1.3.1 国外研究现状
        1.3.2 国内研究现状
    1.4 课题主要研究内容
第2章 胸腔镜肺叶切除术交互仿真系统需求分析及整体设计
    2.1 胸腔镜肺叶切除术流程分析
    2.2 系统功能需求分析
    2.3 系统的整体设计
    2.4 系统软硬件平台的构建
        2.4.1 系统的基本配置
        2.4.2 软件模块设计
        2.4.3 交互组件的设计
            2.4.3.1 操作平台的设计
            2.4.3.2 基于OpenHaptics的力的交互设计
    2.5 本章小结
第3章 基于MC算法的肺部三维重建
    3.1 三维重建算法简介
        3.1.1 体绘制算法
        3.1.2 面绘制算法
    3.2 Marching Cube算法研究
    3.3 基于MC算法的肺部三维重建的实现
        3.3.1 数据来源以及等值面的提取
        3.3.2 肺部的三维重建
    3.4 MC算法优化以及GPU加速
        3.4.1 快速寻找边界立方体
        3.4.2 应用重心法确定三角形顶点
        3.4.3 MC算法的GPU加速
    3.5 本章小结
第4章 基于PBD算法的肺部变形及切割缝合的实现
    4.1 软体变形算法简介
    4.2 PBD算法研究
        4.2.1 PBD基本算法
        4.2.2 约束种类
    4.3 基于PBD算法的肺部软体变形的实现
        4.3.1 碰撞检测
        4.3.2 肺部软体变形
    4.4 基于PBD的肺部切割的实现
    4.5 基于PBD的肺部缝合的实现
        4.5.1 缝合线的仿真设计
        4.5.2 肺部缝合仿真的实现
    4.6 PBD算法GPU加速
    4.7 本章小结
第5章 系统联调仿真及结果分析
    5.1 Marching Cube重建肺部实验
    5.2 肺部形变仿真实验
    5.3 肺部切割仿真实验
    5.4 肺部缝合仿真实验
    5.5 实验结果分析
    5.6 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果
攻读硕士学位期间参与的项目


【参考文献】：
期刊论文
[1]虚拟现实技术的发展与应用[J]. 张益玮.  通讯世界. 2018(09)
[2]虚拟现实技术的应用现状与发展趋势[J]. 姚佳兴.  中国新通信. 2018(05)
[3]二孔和三孔胸腔镜手术诊治胸部疾病的临床研究[J]. 夏晓明,张亚锋,施仁忠.  中国实用医刊. 2017 (22)
[4]虚拟手术训练力觉交互技术的现状与趋势[J]. 戴金桥,俞阿龙,孙红兵,徐宝国.  测控技术. 2014(10)
[5]综合使用CPU和GPU的实时手术仿真系统并行框架[J]. 贾世宇,潘振宽.  系统仿真学报. 2014(02)
[6]浅谈CPU与GPU的融合[J]. 杨柳,刘铁英.  科技与企业. 2012(24)
[7]虚拟现实技术在手术培训中的应用及展望[J]. 于德栋,沈国芳.  中华口腔医学研究杂志(电子版). 2011(05)
[8]基于PHANTOM的虚拟手术系统的研究[J]. 何健,鲍苏苏,潘家辉.  计算机与现代化. 2011(06)
[9]虚拟现实技术的最新发展与展望[J]. 陈浩磊,邹湘军,陈燕,陈燕,刘天湖.  中国科技论文在线. 2011(01)
[10]虚拟手术中的软组织切割方法综述[J]. 廖志芳,黄晓宇,郁松,樊晓平.  软件导刊. 2010(08)

博士论文
[1]基于断层图象的几何重建理论与技术研究[D]. 纪凤欣.大连理工大学 2002

硕士论文
[1]高效可变形体实时仿真的研究与应用[D]. 邢林西.电子科技大学 2016
[2]CPU与GPU混合虚拟化资源高效调度策略[D]. 王润泽.上海交通大学 2015
[3]面向虚拟手术的软体几何建模和变形算法的研究[D]. 蒋玉娟.中南大学 2009
[4]基于力反馈的虚拟膝关节镜手术系统的研究与实现[D]. 徐凯.国防科学技术大学 2005



本文编号：3055145