虚拟手术仿真系统中基于粒子系统的流血模型研究

发布时间：2017-04-19 22:09

  本文关键词：虚拟手术仿真系统中基于粒子系统的流血模型研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着各国学者对虚拟现实技术的不断研究,该技术已被广泛应用于社会的各个领域。虚拟手术系统作为该技术在医学教育方面的一项重要应用,不但能够为实习医生提供手术训练平台,还能为外科手术医生提供手术方案制定以及风险评估的平台。因此,许多国内外学者都为能够模拟一个非常逼真的虚拟手术环境而进行了大量的研究。而在手术过程中,组织器官的流血是不可避免的。在虚拟手术仿真系统中加入流血模型不仅能够提高虚拟环境的逼真度,而且还能锻炼实习医生处理术中出血的能力。本文通过阐述系统中与流血模型相关的模块、血液流动的动力学仿真及血液的表面渲染等方面,对脑外科虚拟手术系统中的流血模型进行了分析与研究。具体内容安排如下:首先,本文分析了脑外科虚拟手术仿真系统中与流血模型相关的模块,其中包括力反馈设备及其驱动、碰撞检测、抽吸模型等。通过对本章的阐述,从系统角度说明了流血模型的实现过程。然后,本文研究了流血模型的动力学模拟方法——光滑粒子流体动力学。该方法在进行初始化之后,首先搜索出每个粒子的邻近点,然后逐个算出该粒子的密度、压强、压力、粘滞力,通过计算该粒子所受合力,得出其在下一帧所处的位置。为了解决该方法在脑外科虚拟手术系统中的实时性及占用内存过多的问题,通过引入空间网格搜索邻近点法和高度场法,提出了一种改进的快速光滑粒子流体动力学方法,改进后的方法能够在保证逼真度的前提下,实现了对脑部血液流动的实时仿真。在完成动力学仿真之后,还需对粒子形成的血液表面进行渲染。本文采用了一种速度较快且易于实现的表面重建方法——移动立方体法。该方法通过计算等值面提取出接近液面的立方体,然后通过线性插值方法找出需要绘制的三角面片的顶点位置。为了保证该方法在脑外科虚拟手术系统中进行血液渲染的实时性,提出了一种粒子邻近立方体判断的方法取代了原方法中对所有立方体逐个判断的方法,从而实现了对血液的实时渲染。此外,通过引入纹理映射算法,在一定程度上提高了血液表面渲染的逼真度。最后,对上述相关的实验结果和数据进行了分析和讨论。
【关键词】：虚拟手术 流血模型 光滑粒子流体动力学 移动立方体算法
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R319;TP391.9
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 课题研究背景及意义9-11
• 1.2 国内外发展现状11-14
• 1.3 研究内容及创新点14-16
• 1.3.1 研究内容14-15
• 1.3.2 创新点15-16
• 1.4 本文组织结构16-17
• 第二章 虚拟手术系统框架17-28
• 2.1 引言17
• 2.2 力反馈设备介绍及其驱动设计17-22
• 2.2.1 Phantom Omni介绍17-19
• 2.2.2 Phantom Omni驱动设计19-21
• 2.2.3 自主开发力反馈设备介绍及驱动编程21-22
• 2.3 碰撞检测22-25
• 2.3.1 八叉树的建立22-24
• 2.3.2 碰撞检测24-25
• 2.4 抽吸模型介绍25-26
• 2.5 小结26-28
• 第三章 光滑粒子流体动力学理论及其实现28-42
• 3.1 引言28
• 3.2 SPH算法的理论分析28-35
• 3.2.1 SPH的基本原理28-31
• 3.2.2 通过SPH方法求解Navier-Stokes方程31-35
• 3.2.2.1 Navier-Stokes方程31
• 3.2.2.2 压力产生的加速度31-32
• 3.2.2.3 粘滞力产生的加速度32-33
• 3.2.2.4 外力33
• 3.2.2.5 核函数的选择33-35
• 3.3 虚拟手术仿真系统中SPH算法的实现35-41
• 3.3.1 SPH算法的实现36-38
• 3.3.2 空间网格邻近点搜索法38-39
• 3.3.3 高度场的建立39-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 流血模型中血液的表面渲染方法42-53
• 4.1 引言42
• 4.2 Marching Cubes算法42-47
• 4.3 各向异性核算法介绍47-49
• 4.4 表面重建中的纹理映射49-51
• 4.5 OPENGL混合方法51-52
• 4.6 本章小结52-53
• 第五章 实验结果及数据分析53-59
• 5.1 引言53
• 5.2 仿真软硬件硬件平台53
• 5.3 实验结果53-57
• 5.3.1 SPH算法计算效率53-54
• 5.3.2 粒子的直接渲染效果及其数据分析54-55
• 5.3.3 Open GL混合渲染效果及其数据分析55-56
• 5.3.4 Marching Cubes渲染效果及其数据分析56-57
• 5.4 本章小结57-59
• 第六章 结论与展望59-61
• 6.1 本文工作总结59
• 6.2 后续工作展望59-61
• 攻读硕士期间参加的科研实践及发表论文61-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-65

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 熊岳山;徐凯;王彦臻;谭珂;郭光友;;虚拟膝关节镜手术仿真系统的关键技术研究[J];国防科技大学学报;2007年01期

2 孙伟;张彩明;杨兴强;;Marching Cubes算法研究现状[J];计算机辅助设计与图形学学报;2007年07期

3 张锁春;光滑质点流体动力学（SPH）方法（综述）[J];计算物理;1996年04期

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本文编号：317224