颌骨虚拟手术系统的设计实现与可用性研究

发布时间：2020-11-19 20:42

　　 颅颌面骨作为人体颅骨的主要组成部分,不仅对面部支撑起到重要作用,还决定着脸型的基础结构,但是由于外伤和先天性颅颌面骨发育畸形等因素,常常会导致颌骨的功能异常和外形异常,从而造成患者的心理和生理障碍,因此需要颅颌面骨修复重建外科完成对颌骨的修复工作。传统的颌面手术医生大多依靠经验做出手术方案的设计,不能就术后面貌与病人进行沟通。 采用虚拟现实(Virtual Reality, VR)技术的虚拟颌骨手术可以很好得通过颌骨面与软组织关系模拟出患者术后面貌,并且具有传统手术所不具备的可恢复性,可重复操作性等特征。本文通过对虚拟颌骨手术过程进行需求分析,根据虚拟颌骨手术中主要问题即软组织形变模拟问题,提出了使用CT图像重建适于虚拟颌骨手术的颌骨模型和软组织模型,使用弹簧模型和有限元模型分别解决软组织受力和形变问题的方法,然后对虚拟手术带来的可用性问题进行了分析,系统地介绍了三维交互技术的特点和任务,设计出一套以用户为中心的交互方案,采用了更符合人体感知和控制原理的三维鼠标作为辅助输入设备,解决了在三维空间中物体的精确移动问题。最后,文章给出了系统的详细设计过程和一些关键类的结构。 本文的研究受到中科院计算机科学国家重点实验室开放课题基金项目(编号：SYSKF0704)、国家“八六三”高技术发展研究计划项目(编号：2006AA01Z328)、国家自然科学基金项目(编号：60873095)、西北大学研究生创新教育项目(编号：09YSY28)的资助。
【学位单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2010
【中图分类】：R782.2;TP391.9
【部分图文】：

力或者拉力，因为软组织和领骨是相互分离的，并且使用了不用的材质，因此无法对领骨和软组织进行整体有限元分析，考虑到软组织受力的单一性，因此使用弹簧模型来模拟领骨和软组织之间的力，如图3一4所示。，力，材塑月”口x”确护如叹武1)厂b跳口心泥毕目月g图3一4软组织受力(质点弹簧模型)质点弹簧的建立过程是:在软组织与颇骨相连的内侧找到一点Xs，然后再领骨上找到离该点最近的一个点Xb。此处应当注意，因为软组织是进行过有限元四面体划分的，因此该点只能是四面体中的一个顶点，这样才能建立该单元的刚度矩阵。而领骨上的点也应当是三维图形中存在的点，在xs，凡之间建立主弹簧 (mainsPring)，然后找到与Xb相邻的点

质点弹簧模型的基础是在不同层次之间的弹簧建立方法，而点的选择是建立弹簧最重要的因素，因此我们需要选择分别在软组织和领骨上相互接触的点而避免选择到没有在两者边界上的点。如图3一5所示，是一部分下颇骨软组织四面体模型，图中黄色点是处于软组织和下领骨之间的边界点，这些边界点都是四面体模型中的顶点，然后根据相应的算法获得相应的处于领骨之上的边界点。图3一5软组织和领骨之间的边界点但是由算法自动选择的点可能并不符合相应的需求，例如有些点虽然在边界上，但是并是领骨和软组织的连接点，因此我们需要人工对这些点进行去除以保证边界点的质量，从而保证了受力的准确度。3.4.3软组织受力形变模拟在建立了相应的边界点以后，软组织就可以根据当前的受力情况，对应力作出反应，从而产生形变，由于采用了有限元方法的软组织形变模拟运算量比较大，因此我们对下领骨切下的一块碎片进行位移来观察软组织的反应

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本文编号：2890418