软组织针穿刺虚拟训练系统的实时性研究

发布时间：2017-08-29 18:00

  本文关键词：软组织针穿刺虚拟训练系统的实时性研究

  更多相关文章： 针穿刺虚拟训练系统 软组织变形 实时性 网格尺寸控制 快速点定位

【摘要】：经皮穿刺是微创手术的一个分支,在很多治疗场合都有应用,比如组织活检、血栓摘除、肿瘤消融等。然而传统的针穿刺训练方式直接在病人身体上进行,有可能导致严重的并发症,针穿刺虚拟训练系统能够有效的解决上述问题。本文主要对基于软组织变形的针穿刺虚拟训练系统的实时性进行了研究,并在此基础上构建了实时的基于软组织变形的针穿刺虚拟训练系统。它由三个模块组成,分别是有限元变形计算模块、图像显示模块和力反馈模块,本文关于实时性的研究也主要围绕这几个方面。首先,通过网格尺寸函数来控制网格的尺寸大小指导非均匀网格划分从而减少产生的网格节点数目,实现有限元分析计算的加速。在针穿刺场合下,更关注针轨迹附近的变形,因此要求针轨迹附近的网格单元划的密一些,其它的地方网格可以化的稀疏一些。同时应当避免出现角度很小的网格单元,因此需要对网格尺寸函数的梯度进行控制。通过建立基于穿刺轨迹的网格尺寸控制模型,能够合理的分配节点在空间的分布,比均匀网格划分产生的节点数少,有限元分析计算更快。其次,利用快速点定位方法替代原来的点定位,对超声图像生成算法进行优化,使得生成二维超声图像的时间减少。快速点定位充分地利用了四面体网格单元与超声扫描平面的相交信息,使用一个中间数据结构来存储像素点对应的网格单元体编号,使得对图像中所有点进行点定位的时间缩短。中间数据结构主要依赖Bresenham画线算法找到线段上的像素点并对像素点赋予相应的单元体编号数值。在获得中间数据结构之后,依据垂直扫描的方法遍历图像中的所有像素点,计算像素点在体数据中的位置,从而求得相应的像素值。在对超声图像生成算法进行优化之后,图像生成时间明显缩短。最后,进行了基于软组织变形的针穿刺虚拟训练系统的开发。图像显示模块实时的显示虚拟的三维穿刺场景和二维的虚拟超声图像,有限元分析模块依据组织与针之间的相互作用提供组织和针的变形位移,力反馈模块将模拟的穿刺力反馈给操作者。为了建立正确的模型之间的相互位置关系,需要进行多个坐标系的统一,通过不同坐标系间的变换才能完成。
【关键词】：针穿刺虚拟训练系统 软组织变形 实时性 网格尺寸控制 快速点定位
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH789
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 课题研究背景12-13
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势13-21
• 1.2.1 网格划分的研究现状及进展13-16
• 1.2.2 超声图像生成方法的研究现状及进展16-17
• 1.2.3 超声引导仿真器的研究现状及发展17-21
• 1.3 研究目标及意义21-24
• 1.3.1 研究目标21-22
• 1.3.2 研究意义22
• 1.3.3 要研究内容22-24
• 1.4 本章小结24-26
• 第2章 有限元模型加速26-42
• 2.1 引言26
• 2.2 有限元模型加速的分析26-28
• 2.3 基于穿刺路径的软组织网格划分建模28-30
• 2.4 哈密尔顿雅可比方程求解30-34
• 2.4.1 迭代法30-32
• 2.4.2 快速步进法32-34
• 2.5 实验设计34-41
• 2.5.1 建立分析指标34-36
• 2.5.2 水凝胶实验36
• 2.5.3 搜索寻优36-37
• 2.5.4 拟合寻优37-40
• 2.5.5 结果分析40-41
• 2.6 本章小结41-42
• 第3章 超声图像生成算法的优化42-54
• 3.1 引言42
• 3.2 基于软组织变形的插值法介绍42-45
• 3.3 初始方法介绍45-47
• 3.4 快速超声图像生成算法47-52
• 3.4.1 快速点定位47-49
• 3.4.2 基于快速点定位的超声图像生成算法实现及结果分析49-52
• 3.5 本章小结52-54
• 第4章 针穿刺虚拟训练系统的搭建54-66
• 4.1 引言54
• 4.2 系统框架介绍54-57
• 4.3 力反馈模块设计57-58
• 4.4 图像显示模块设计58-61
• 4.4.1 整体设计58
• 4.4.2 维超声图像显示模块的设计58-60
• 4.4.3 三维虚拟场景显示模块的设计60-61
• 4.5 坐标系变换61-62
• 4.6 系统实物结构62-64
• 4.7 本章小结64-66
• 第5章 总结与展望66-70
• 5.1 总结66-67
• 5.2 展望67-70
• 参考文献70-76
• 附录A 程序代码76-85

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本文编号：754638