基于径向基点插值法的软组织形变仿真

发布时间：2017-09-03 02:39

  本文关键词：基于径向基点插值法的软组织形变仿真

  更多相关文章： 软组织形变 无网格法 向基点插值法 弹性模型

【摘要】：随着电子和计算机技术的快速、跳跃式发展,虚拟现实技术在国防军事、生物医学、航空航天、教育科普等领域得到广泛的应用。虚拟手术仿真训练系统可以让新晋外科医生在重构的虚拟人体器官上进行切割、触碰、撕裂、流血、灼烧等一系列外科手术操作训练,较好地解决了传统临床医生训练方法中存在的训练时间长、效率低、成本高等问题。实际外科手术过程中无论是切割操作还是触碰操作都涉及软组织的形变。因此,作为各种手术操作的公共部分,软组织形变的模拟仿真一直是虚拟手术仿真系统中的一个重要研究领域。首先本文介绍了虚拟手术系统的整体架构,对架构中的各个模块进行了详细阐述。从基于物理和非物理模型的两大建模体系对目前存在的各种软组织建模方法进行了综述。然后使用极值法对导入的3dmax模型建立了基于六面体的背景网格,对该模型进行内部剖分后建立了虚拟手术系统中可使用的点云模型。从基本的弹性力学方程组出发,推导了该方程的离散及变分形式,采用基于径向基点插值的无网格方法模拟仿真了软组织的形变,使用该方法对三维悬臂梁进行了形变实验,结果表明该方法较好的模拟仿真了悬臂梁的形变。为了更好的表现出软体特有的滞后、松弛和蠕变等粘弹性,本文将Kelvin粘弹性力学模型引入基于径向基点插值的软组织形变仿真方法中,并使用Kelvin增量格式进行形变求解。最后使用人体胃器官进行形变仿真实验,实验结果表明该模型不但较好的表现了软组织的形变过程,而且较好的呈现了软组织的粘弹性。与传统的FEM方法进行了对比实验,结果表明本文所述方法的形变计算的精确度更高,在保证同样精确度的前提下,本文所述方法效率也更高。本文所建立的基于径向基点插值法的软组织形变模型属于无网格建模方法的一种,该方法无需建立复杂的网格拓扑结构,从而节省了存储空间,并且该算法在精确度和计算效率上具有更大优势,为实现虚拟手术系统的实时交互提供了有效的方法,为虚拟手术系统的广泛运用打下了坚实的基础。
【关键词】：软组织形变 无网格法 向基点插值法 弹性模型
【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
• ABSTRACT4-8
• 第1章 绪论8-19
• 1.1 引言8-9
• 1.2 课题来源9
• 1.3 国内外研究现状9-10
• 1.4 虚拟手术的功能模块结构10-12
• 1.5 虚拟手术产品12
• 1.6 软组织形变模型的综述12-17
• 1.6.1 非物理模型14-15
• 1.6.2 物理模型15-17
• 1.7 本文的研究内容17-18
• 1.8 本文的结构安排18-19
• 第2章 径向基点插值法(RPIM)19-33
• 2.1 引言19
• 2.2 径向基点插值法(RPIM)的基础知识19-24
• 2.2.1 径向基点插值形函数19-22
• 2.2.2 构建支持域22-23
• 2.2.3 RPIM形函数的性质23-24
• 2.3 RPIM方法求解过程24-31
• 2.3.1 建立背景网格24-25
• 2.3.2 弹性力学基本方程25-26
• 2.3.3 变分及离散形式26-29
• 2.3.4 施加本质边界条件29-30
• 2.3.5 RPIM的程序实现流程30-31
• 2.3.6 RPIM应用于三维固体的形变实验31
• 2.4 小结31-33
• 第3章 Kelvin粘弹性力学模型33-40
• 3.1 引言33
• 3.2 软组织的基本力学特性33-35
• 3.3 粘弹性理论35-37
• 3.4 线性粘弹性本构关系37-39
• 3.5 小结39-40
• 第4章 基于径向基点插值的软组织形变模拟40-51
• 4.1 引言40
• 4.2 内部点的剖分40-42
• 4.3 加入粘弹性的无网格形变仿真方法42-45
• 4.4 基于RPIM方法的软组织形变仿真的求解步骤45-46
• 4.5 基于RPIM的软组织形变实验46-50
• 4.5.1 实验运行环境和开发工具46-47
• 4.5.2 实验结果与分析47-50
• 4.6 小结50-51
• 第5章 总结与展望51-53
• 5.1 总结51
• 5.2 展望51-53
• 致谢53-54
• 参考文献54-57
• 攻读学位期间的研究成果57

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 张雄;刘岩;马上;;无网格法的理论及应用[J];力学进展;2009年01期

2 刘雪梅;毛磊;李运华;郝爱民;;耦合无网格迦辽金与质点弹簧实现软组织形变仿真[J];计算机辅助设计与图形学学报;2013年01期

3 赵沁平;;虚拟现实综述[J];中国科学（F辑:信息科学）;2009年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 李建英;虚拟手术中软组织形变仿真研究[D];山东大学;2009年

，

本文编号：782423