基于位置动力学的软组织建模及碰撞检测研究
发布时间：2021-08-20 09:15
虚拟手术作为新型的外科手术辅助技术,在新手医生教学、远程医疗、术中导航以及术后康复等方面发挥着重要作用,可以减少医务人员的培训费用并极大地提高外科手术的成功率,因此虚拟手术的研究具有广阔的应用前景,正成为研究热点和前沿课题。虚拟手术仿真系统功能模块众多,其中实时形变模拟是虚拟手术系统中最为关键的部分,需要同时满足视觉逼真、模型形变真实和实时交互的要求,是研究中急需解决的难点问题。因此本文重点围绕虚拟手术的软组织建模方法和实时碰撞检测技术展开深入研究,并搭建虚拟手术仿真系统。主要研究内容如下:（1）软组织几何建模方面,采用面模型与体模型耦合的方法建立几何模型。高精度的表面三角形面网格用于视觉渲染,表达器官模型更加真实的纹理细节等。基于Delaunay网格剖分算法将软组织简化后的面模型划分成四面体网格,四面体网格用于形变计算,以体现软组织的物理特性,并给出了面模型与体模型耦合的方法。最后对软组织形变建模方法归纳总结,比较其各自优缺点,为软组织的形变建模奠定基础。（2）采用位置动力学的算法对软组织形变建模。首先分析位置动力学模型的数学原理、具体算法,推导了算法约束条件;通过赋予体模型拉伸约束...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
虚拟血管操作手术系统
第1章绪论3术虚拟现实训练系统，如图1.2所示，采用空间质量弹簧网络模拟软组织形变，微创手术训练器为变形物体提供了多个外科交互模块，如抓娶夹持、切割、凝固、注射以及缝合等，该仿真系统已成功应用于妇科、腹腔镜微创手术训练中[9]。图1.2腹腔镜微创手术训练系统Fig.1.2Laparoscopicminimallyinvasivesurgerytrainingsystem2010年，法国国家信息和自动化研究所（INRIA）的研究小组研发了虚拟肝脏切割手术系统，该系统可以模拟真实的软组织变形、切割和以及复杂的触觉变化，如图1.3所示是通过触觉装置对肝脏进行切除手术的实时仿真，在交互过程中，肝脏可能与肋骨、结肠或胃接触，触觉装置能够提供不同的触觉体验，不足之处是没有解决切割时单元细分会产生病态单元，从而导致数值不稳定的问题[10]。图1.3肝脏抓取与切割手术仿真Fig.1.3Simulationoflivergrabbingandcuttingoperation日本东京慈恵医科大学SuzukiS等人提出了填充球模型（Sphere-filledModel，SFM）模拟人体软组织弹性器官，SFM的实质是在模型内部填充统一半径的刚性小球，该模型适用于实时模拟和定量变形[11]。此外，通过连接力反馈装置使仿真具有触觉和力感，可以进行各种涉及按压、提拉或切开器官表面的物理操作，然而SFM的形变效果受填充球初始位置的设置方式影响较大，如图1.4所示。
第1章绪论3术虚拟现实训练系统，如图1.2所示，采用空间质量弹簧网络模拟软组织形变，微创手术训练器为变形物体提供了多个外科交互模块，如抓娶夹持、切割、凝固、注射以及缝合等，该仿真系统已成功应用于妇科、腹腔镜微创手术训练中[9]。图1.2腹腔镜微创手术训练系统Fig.1.2Laparoscopicminimallyinvasivesurgerytrainingsystem2010年，法国国家信息和自动化研究所（INRIA）的研究小组研发了虚拟肝脏切割手术系统，该系统可以模拟真实的软组织变形、切割和以及复杂的触觉变化，如图1.3所示是通过触觉装置对肝脏进行切除手术的实时仿真，在交互过程中，肝脏可能与肋骨、结肠或胃接触，触觉装置能够提供不同的触觉体验，不足之处是没有解决切割时单元细分会产生病态单元，从而导致数值不稳定的问题[10]。图1.3肝脏抓取与切割手术仿真Fig.1.3Simulationoflivergrabbingandcuttingoperation日本东京慈恵医科大学SuzukiS等人提出了填充球模型（Sphere-filledModel，SFM）模拟人体软组织弹性器官，SFM的实质是在模型内部填充统一半径的刚性小球，该模型适用于实时模拟和定量变形[11]。此外，通过连接力反馈装置使仿真具有触觉和力感，可以进行各种涉及按压、提拉或切开器官表面的物理操作，然而SFM的形变效果受填充球初始位置的设置方式影响较大，如图1.4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]虚拟现实系统综述[J]. 杨欢,刘小玲. 软件导刊. 2016(04)
[2]再现软组织特性的小球作用模型[J]. 闫志远,杜志江,吴冬梅. 计算机辅助设计与图形学学报. 2014(08)
[3]膝关节镜手术仿真训练系统应用效果评估[J]. 高原,谭珂,潘新华,李众利,刘玉杰,王志刚,戴伟,朱娟丽. 解放军医学院学报. 2013(03)
[4]基于图像空间的快速碰撞检测算法[J]. 于海军,马纯永,张涛,陈戈. 计算机应用. 2013(02)
[5]虚拟肩关节镜手术中软组织形变的模拟[J]. 黄敏,王金武,顾力栩,周喆,陆文龙. 计算机工程. 2012(19)
[6]微创胆囊手术中胆囊管路松弛状态的仿真研究[J]. 付宜利,朴明波,王树国. 大连海事大学学报. 2009(01)
[7]虚拟手术仿真中人体软组织形变技术的研究[J]. 叶秀芬,乔冰,郭书祥,郭庆昌. 计算机应用. 2009(02)
[8]虚拟现实综述[J]. 赵沁平. 中国科学（F辑:信息科学）. 2009(01)
[9]虚拟手术中刚体和软体碰撞检测算法研究[J]. 淡科锋,耿国华,周明全. 计算机技术与发展. 2008(09)
[10]耳三维重建及虚拟内窥镜[J]. 邱明国,张绍祥,刘正津,谭立文,王欲甦,邓俊辉,唐泽圣. 第三军医大学学报. 2003(07)
博士论文
[1]虚拟手术中软组织形变与切割技术研究[D]. 朱玲.哈尔滨工程大学 2012
[2]虚拟手术仿真中软组织实时形变模型的研究[D]. 徐少平.南昌大学 2010
[3]虚拟现实中碰撞检测关键技术研究[D]. 王祎.吉林大学 2009
硕士论文
[1]三维空间Delaunay网格剖分技术的研究[D]. 周晓.天津大学 2016
[2]面向虚拟手术的双目立体显示系统的研究与实现[D]. 范程.南昌大学 2015
本文编号：3353235
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
虚拟血管操作手术系统
第1章绪论3术虚拟现实训练系统，如图1.2所示，采用空间质量弹簧网络模拟软组织形变，微创手术训练器为变形物体提供了多个外科交互模块，如抓娶夹持、切割、凝固、注射以及缝合等，该仿真系统已成功应用于妇科、腹腔镜微创手术训练中[9]。图1.2腹腔镜微创手术训练系统Fig.1.2Laparoscopicminimallyinvasivesurgerytrainingsystem2010年，法国国家信息和自动化研究所（INRIA）的研究小组研发了虚拟肝脏切割手术系统，该系统可以模拟真实的软组织变形、切割和以及复杂的触觉变化，如图1.3所示是通过触觉装置对肝脏进行切除手术的实时仿真，在交互过程中，肝脏可能与肋骨、结肠或胃接触，触觉装置能够提供不同的触觉体验，不足之处是没有解决切割时单元细分会产生病态单元，从而导致数值不稳定的问题[10]。图1.3肝脏抓取与切割手术仿真Fig.1.3Simulationoflivergrabbingandcuttingoperation日本东京慈恵医科大学SuzukiS等人提出了填充球模型（Sphere-filledModel，SFM）模拟人体软组织弹性器官，SFM的实质是在模型内部填充统一半径的刚性小球，该模型适用于实时模拟和定量变形[11]。此外，通过连接力反馈装置使仿真具有触觉和力感，可以进行各种涉及按压、提拉或切开器官表面的物理操作，然而SFM的形变效果受填充球初始位置的设置方式影响较大，如图1.4所示。
第1章绪论3术虚拟现实训练系统，如图1.2所示，采用空间质量弹簧网络模拟软组织形变，微创手术训练器为变形物体提供了多个外科交互模块，如抓娶夹持、切割、凝固、注射以及缝合等，该仿真系统已成功应用于妇科、腹腔镜微创手术训练中[9]。图1.2腹腔镜微创手术训练系统Fig.1.2Laparoscopicminimallyinvasivesurgerytrainingsystem2010年，法国国家信息和自动化研究所（INRIA）的研究小组研发了虚拟肝脏切割手术系统，该系统可以模拟真实的软组织变形、切割和以及复杂的触觉变化，如图1.3所示是通过触觉装置对肝脏进行切除手术的实时仿真，在交互过程中，肝脏可能与肋骨、结肠或胃接触，触觉装置能够提供不同的触觉体验，不足之处是没有解决切割时单元细分会产生病态单元，从而导致数值不稳定的问题[10]。图1.3肝脏抓取与切割手术仿真Fig.1.3Simulationoflivergrabbingandcuttingoperation日本东京慈恵医科大学SuzukiS等人提出了填充球模型（Sphere-filledModel，SFM）模拟人体软组织弹性器官，SFM的实质是在模型内部填充统一半径的刚性小球，该模型适用于实时模拟和定量变形[11]。此外，通过连接力反馈装置使仿真具有触觉和力感，可以进行各种涉及按压、提拉或切开器官表面的物理操作，然而SFM的形变效果受填充球初始位置的设置方式影响较大，如图1.4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]虚拟现实系统综述[J]. 杨欢,刘小玲. 软件导刊. 2016(04)
[2]再现软组织特性的小球作用模型[J]. 闫志远,杜志江,吴冬梅. 计算机辅助设计与图形学学报. 2014(08)
[3]膝关节镜手术仿真训练系统应用效果评估[J]. 高原,谭珂,潘新华,李众利,刘玉杰,王志刚,戴伟,朱娟丽. 解放军医学院学报. 2013(03)
[4]基于图像空间的快速碰撞检测算法[J]. 于海军,马纯永,张涛,陈戈. 计算机应用. 2013(02)
[5]虚拟肩关节镜手术中软组织形变的模拟[J]. 黄敏,王金武,顾力栩,周喆,陆文龙. 计算机工程. 2012(19)
[6]微创胆囊手术中胆囊管路松弛状态的仿真研究[J]. 付宜利,朴明波,王树国. 大连海事大学学报. 2009(01)
[7]虚拟手术仿真中人体软组织形变技术的研究[J]. 叶秀芬,乔冰,郭书祥,郭庆昌. 计算机应用. 2009(02)
[8]虚拟现实综述[J]. 赵沁平. 中国科学（F辑:信息科学）. 2009(01)
[9]虚拟手术中刚体和软体碰撞检测算法研究[J]. 淡科锋,耿国华,周明全. 计算机技术与发展. 2008(09)
[10]耳三维重建及虚拟内窥镜[J]. 邱明国,张绍祥,刘正津,谭立文,王欲甦,邓俊辉,唐泽圣. 第三军医大学学报. 2003(07)
博士论文
[1]虚拟手术中软组织形变与切割技术研究[D]. 朱玲.哈尔滨工程大学 2012
[2]虚拟手术仿真中软组织实时形变模型的研究[D]. 徐少平.南昌大学 2010
[3]虚拟现实中碰撞检测关键技术研究[D]. 王祎.吉林大学 2009
硕士论文
[1]三维空间Delaunay网格剖分技术的研究[D]. 周晓.天津大学 2016
[2]面向虚拟手术的双目立体显示系统的研究与实现[D]. 范程.南昌大学 2015
本文编号：3353235
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