虚拟手术中软组织物理模型的建立及变形算法研究

发布时间：2017-09-05 12:06

  本文关键词：虚拟手术中软组织物理模型的建立及变形算法研究

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【摘要】：虚拟手术是结合由生物医学、生物力学、材料科学、计算机图形学、计算机视觉等诸多领域而成的一门新兴学科。其主要内容就是通过对医学数据的可视化，在计算机中构建虚拟的人体器官模型，并通过计算机逼真地仿真出真实手术过程中虚拟组织模型的各种形变效果。虚拟人体器官模型不仅是虚拟手术中操作的对象，，而且直接决定着虚拟手术系统的整体性能，因而虚拟手术中软组织物理模型的建立逐渐成为了虚拟手术领域一个重要的研究内容。 本文的具体研究内容包括： (1)在软组织物理模型拓扑结构方面，为保证形变仿真的实时性，选择了基于表面模型的质点弹簧模型，为进一步保证肝脏软组织的体不可压缩特性，引入包含体弹簧的表面质点弹簧模型； (2)在软组织参数设定方面，采用了基于生物软组织测量的方法。结合软组织应力应变曲线的特点，提出了分段线性化的弹簧弹性系数确定方法，满足了软组织形变时应力形变的非线性特征； (3)在力学分析求解方面，研究了软组织模型发生形变时的数值求解问题。将欧拉积分法、中值积分法和龙格库塔积分方法进行了讨论。在显式欧拉积分方法的基础上，设计了改进的Verlet算法计算模型的形变量； (4)在形变分析优化方面，在Loop网格细分算法的基础上,实现了对肝脏软组织形变区域的自适应细分。消除了肝脏软组织形变时，形变区域产生的失真现象。最后，完成了肝脏软组织在形变过程中的精确性、实时性等验证试验，实验结果表明，该方法能够满足虚拟手术的要求。
【关键词】：虚拟手术 质点弹簧模型 模型参数 软组织形变 自适应 网格细分
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R319;TP391.9
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题研究的意义及背景10-15
• 1.1.1 课题背景10-11
• 1.1.2 虚拟手术的应用11-12
• 1.1.3 虚拟手术系统的组成12-14
• 1.1.4 课题研究的意义及目的14
• 1.1.5 项目支持14-15
• 1.2 国内外研究现状15
• 1.2.1 软组织建模15
• 1.2.2 模型网格细分15
• 1.3 主要研究内容15-16
• 1.4 论文的章节安排16-17
• 第2章 软组织物理建模方法及选择17-22
• 2.1 概述17
• 2.2 人体软组织的材料特性17-18
• 2.3 物理建模方法分类18-19
• 2.4 肝脏软组织物理模型的构建19-21
• 2.4.1 传统质点弹簧模型19-20
• 2.4.2 基于体积保持的质点弹簧模型20-21
• 2.5 本章小结21-22
• 第3章 分段线性化的弹簧参数设定22-27
• 3.1 概述22
• 3.2 基于重心修正的体积离散化方法22-23
• 3.3 真实软组织特性下分段线性化的弹簧系数确定23-26
• 3.3.1 肝脏弹性模量的获取23-25
• 3.3.2 分段线性化参数的确定25-26
• 3.4 本章小结26-27
• 第4章 肝脏软组织形变计算27-31
• 4.1 概述27
• 4.2 质点弹簧模型形求解方法积分27-29
• 4.2.1 欧拉积分法27-28
• 4.2.2 中值积分法28-29
• 4.2.3 龙格库塔积分法29
• 4.3 Verlet积分法计算形变29-30
• 4.4 本章小结30-31
• 第5章 软组织形变模型网格的自适应细分31-38
• 5.1 概述31
• 5.2 网格细分技术31-34
• 5.2.1 Loop网格细分算法32-33
• 5.2.2 其他网格细分算法33-34
• 5.3 基于Loop网格细分的自适应网格细分算法设计34-37
• 5.3.1 自适应网格细分算法概述34-35
• 5.3.2 网格细分区域的划定35-37
• 5.3.3 细分规则的制定37
• 5.4 本章小结37-38
• 第6章 系统实现及仿真实验38-46
• 6.1 可视化工具VTK38-39
• 6.2 基于VTK的形变仿真结果及分析39-45
• 6.2.1 精确性验证实验39-42
• 6.2.2 实时性验证实验42-43
• 6.2.3 自适应网格算法验证实验43-45
• 6.3 本章小结45-46
• 第7章 总结和展望46-48
• 7.1 总结46
• 7.2 今后工作展望46-48
• 参考文献48-51
• 致谢51-52
• 攻读硕士学位期间发表论文情况52

【参考文献】

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本文编号：797861