应用于移动平台的肝脏建模与形变仿真方法研究

发布时间：2017-10-16 17:01

  本文关键词：应用于移动平台的肝脏建模与形变仿真方法研究

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【摘要】：虚拟手术技术在教育教学以及手术训练等领域具有重要的实用价值。随着医疗设备向小型化的方向发展以及智能移动平台的普及，将两者的优势结合，构建基于移动平台的虚拟手术系统具有广阔的发展前景。虚拟手术技术的核心是器官组织的精确建模以及柔性形变的精确模拟。如何从CT图像中准确地分割出器官组织依然是目前医学影像分析领域研究的热点和难点；另外，由于移动平台计算能力有限，图形绘制与渲染的效率较低，，如何实现轻量化的碰撞检测和柔性形变仿真依然有诸多亟待解决的问题。 本文在分析虚拟手术关键技术的基础上，重点研究了肝脏的分割建模方法、移动平台下的碰撞检测方法以及器官的柔性形变仿真方法。提出了一种基于三维形变模型的肝脏分割算法，将梯度信息、Gabor信息以及气球力引入形变模型外力的计算过程，驱动初始模型向肝脏边缘进行迭代逼近从而实现对肝脏的分割。通过射线投射法和包围盒树优化方法实现对虚拟手术器械与肝脏的碰撞检测。基于质点-弹簧模型实现对器官柔性形变的仿真，在移动平台下实现了肝脏和虚拟手术器械交互反馈系统的应用程序开发。本文主要研究内容包括： （1）实现了肝脏的分割建模。构建了形变模型的内外力，通过图像的梯度信息、Gabor信息和气球力构建形变模型的外力，基于待分割器官的连续性和平滑性构建形变模型的内力。以肝脏图像预处理获取的肝脏边界作为模型的初始轮廓，在形变模型内外力的作用下驱动模型逼近肝脏边缘从而实现对肝脏的分割与建模。 （2）提出了应用于移动平台的碰撞检测方法。建立了虚拟器械的运动模型，定义了虚拟运动的参数描述方法。将虚拟手术器械的接触点简化为单一虚拟质点，使用射线投射法判定实现对虚拟质点与模型的碰撞检测，同时使用包围盒树优化方法实现对任意曲面模型间的结构判定和碰撞检测。 （3）实现了移动平台下的肝脏形变仿真。使用质点-弹簧模型构建肝脏的形变场，对模型形变区域的范围和扩展速度进行优化，减少了参与形变计算的元素数目，提高了形变模型的效率。完成了移动平台下肝脏模型的三维渲染、碰撞检测以及柔性形变仿真。设计了肝脏形变交互的软件系统，通过蓝牙通信实现了该仿真系统与现有触觉反馈硬件系统的集成。
【关键词】：虚拟手术 移动平台 分割 碰撞检测 柔性形变
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R319;TP391.9
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究背景和意义10-12
• 1.2 相关工作的国内外研究现状12-16
• 1.2.1 肝脏分割12-14
• 1.2.2 软组织形变模型14-16
• 1.3 本文的主要工作及贡献16-17
• 1.4 本文的组织结构17-18
• 第二章 基于形变模型的肝脏分割建模方法18-28
• 2.1 肝脏 CT 图像预处理和初始轮廓提取18-22
• 2.1.1 自动阈值分割19-20
• 2.1.2 肝脏中值滤波20-21
• 2.1.3 基于连通域的肝脏区域识别21
• 2.1.4 肝脏边缘获取方法21-22
• 2.2 形变模型构建方法22-26
• 2.2.1 改进的 Snake 模型22-23
• 2.2.2 外部能量约束模型23-25
• 2.2.3 Snake 模型求解方法25-26
• 2.3 实验结果26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章 器械虚拟运动与碰撞检测方法28-43
• 3.1 手术器械虚拟运动模型28-30
• 3.2 碰撞检测方法30-38
• 3.2.1 问题描述30-32
• 3.2.2 射线投射法32-36
• 3.2.3 包围盒树优化法36-38
• 3.3 实验设计38-42
• 3.3.1 实验结果38-40
• 3.3.2 移动平台效率对比40-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 移动平台下的交互反馈与应用开发43-69
• 4.1 柔性形变仿真43-49
• 4.1.1 形变模型研究43-45
• 4.1.2 形变模型优化45-47
• 4.1.3 柔性形变仿真流程47-49
• 4.2 柔性形变实验分析49-57
• 4.2.1 模型优化效果49-51
• 4.2.2 不同参数对实验结果的影响51-57
• 4.3 系统开发57-68
• 4.3.1 三维渲染模块58-63
• 4.3.2 系统界面设计63-64
• 4.3.3 系统功能设计64-66
• 4.3.4 系统应用集成66-68
• 4.4 本章小结68-69
• 第五章 总结与展望69-71
• 参考文献71-78
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单78-79
• 致谢79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 吴峥;谢叻;马浩博;;虚拟手术实时物体碰撞检测和软组织变形研究[J];计算机仿真;2010年02期

2 赵新灿;左洪福;;增强现实技术在航空领域中的应用及展望[J];航空维修与工程;2008年06期

3 郭煜;秦t

本文编号：1043828