虚拟手术中基于物理的血流真实感绘制方法研究

发布时间：2017-05-09 23:03

  本文关键词：虚拟手术中基于物理的血流真实感绘制方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：虚拟手术系统作为数字医疗研究的热点之一,它为医生提供了大量低成本的手术训练,使他们可以熟练地掌握这类手术,从而提高了手术的成功率。血流真实感绘制是虚拟手术系统的重要技术之一,其伴随着手术过程中的每一次切割而频繁出现。血流真实感绘制的效果不仅会直接影响虚拟手术系统的真实感,而且能够训练医生处理手术流血情况的能力。为了实现对血流的真实感绘制,本文首先研究软组织切割现象的仿真,其可以作为血流初始化的依据和本系统与课题组其他模块之间的接口；然后,对血流模拟进行数值计算；最后,对血流进行表面绘制,从而得到最终的仿真结果。本文的主要工作和研究成果如下：(1)对于软组织切割现象的仿真,本文改进了顶点拆分算法,并将其应用于皮肤软组织切割的仿真中。算法中使用两条圆弧对切口的边缘进行模拟,增加了切口的离散点个数,使得切口形状较改进前更加光滑,效果更加逼真。(2)对血液流变性质进行了研究,针对现有血流真实感绘制中采用的动力学模型精度较低的问题,将精确度更高的Casso n模型引入血流真实感绘制中,从而使得绘制结果更加符合真实的物理规律。(3)在血流数值计算中,针对光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法对Casson模型的离散化中出现粘滞力项过于复杂的问题,本文提出了一种粘滞力项简化处理方案,使用上一帧的表观粘度的平均值作为当前帧的粘度值,从而使得Casson模型顺利地离散化。另外,使用了近邻搜索算法代替传统的全局搜索算法,从而缩小SPH方法中对作用域内粒子的搜索范围,减少SPH方法的计算量,提高系统的实时性。(4)在血流表面绘制模块中,为了降低计算量,本文提出了一种粒子分布规律化的预处理方法,使得分布不规律的粒子群转化为规则的立方体顶点点阵。针对Marching Cubes算法中空体元过多导致算法效率降低的问题,提出了根据顶点点阵的密度将区域分割的算法,并在不同区域使用不同的算法进行表面绘制,从而提高了血流表面绘制的效率和真实感。最后,根据以上方法,本文设计并开发了一个血流仿真系统。该系统提供软组织切割以及血流仿真的功能,具有较好的交互性和真实感。实验结果表明,本文所采用的基于物理的血流真实感绘制方法所仿真得到的血流,真实感强,实时性好,对提高虚拟手术的真实感具有一定的意义,具有广泛的应用前景。
【关键词】：虚拟手术 软组织切割 Casson模型 SPH 表面绘制
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R319;TP391.9
【目录】：

• 中文摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 引言8-15
• 1.1 研究背景和意义8-9
• 1.2 国内外的研究与发展现状9-12
• 1.2.1 虚拟手术系统9-10
• 1.2.2 血流真实感绘制10-12
• 1.3 论文主要工作12-13
• 1.4 论文结构安排13-15
• 第二章 软组织切割现象的仿真15-30
• 2.1 引言15
• 2.2 软组织切割现象的仿真15-26
• 2.2.1 软组织切割技术研究现状16-19
• 2.2.2 目前软组织切割技术存在的问题19-20
• 2.2.3 本文所采用的方法20-26
• 2.3 实验结果26-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 血液流动现象的数值计算30-59
• 3.1 引言30
• 3.2 血流动力学模型的构建30-36
• 3.2.1 流体力学基础31-32
• 3.2.2 血液流变性质分析32-33
• 3.2.3 现有血流模拟中采用的流体动力学模型33
• 3.2.4 现有流体动力学模型存在的问题33-34
• 3.2.5 本文所采用的流体动力学模型34-36
• 3.3 血流模拟数值计算方法36-57
• 3.3.1 现有数值计算方法37-38
• 3.3.2 现有方法存在的问题38-39
• 3.3.3 本文所采用的方法39-44
• 3.3.4 Casson模型的离散形式44-48
• 3.3.5 血流模拟数值计算流程48-56
• 3.3.6 实验结果56-57
• 3.4 本章小结57-59
• 第四章 血液流动现象的表面绘制59-72
• 4.1 引言59
• 4.2 粒子位置信息的预处理59-64
• 4.2.1 预处理算法介绍59-63
• 4.2.2 实验结果及分析63-64
• 4.3 改进的Marching Cubes算法64-71
• 4.3.1 Marching Cubes算法64
• 4.3.2 Marching Cubes算法存在的问题64-65
• 4.3.3 本文所采用的方法65-69
• 4.3.4 实验结果及分析69-71
• 4.4 本章小结71-72
• 第五章 系统的实现及成果展示72-85
• 5.1 引言72
• 5.2 原型系统实施平台的搭建72-74
• 5.2.1 平台介绍72-73
• 5.2.2 图形库的安装73-74
• 5.3 原型系统界面实现74-76
• 5.4 原型系统的开发流程76
• 5.5 系统的主要模块实现76-84
• 5.5.1 软组织切割仿真模块76-78
• 5.5.2 血流数值计算模块78-83
• 5.5.3 血流表面绘制模块83-84
• 5.6 本章小结84-85
• 结论85-87
• 1 本文主要工作总结85-86
• 2 本文创新点86
• 3 未来工作展望86-87
• 参考文献87-91
• 致谢91-92
• 个人简历92
• 在学期间的研究成果以及发表的学术论文92

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本文编号：353455