虚拟手术中基于填充球的软组织形变模型的研究与实现

发布时间：2017-04-02 07:01

  本文关键词：虚拟手术中基于填充球的软组织形变模型的研究与实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,虚拟现实技术逐渐进入了大众的视野,由于其具备真实性、沉浸性、交互性、自主性等优点,虚拟现实技术被广泛应用于娱乐、医疗、教育、军事、航空等领域。虚拟手术是虚拟现实技术在现代医学领域下的一个重要应用,它具有节约培训医生成本、提高手术成功率、可为医疗设备开发提供开发环境等优点,因此,针对虚拟手术系统各项技术的研究,是目前十分火热的一个领域。由于手术器械与人体组织触碰频繁的原因,在虚拟手术系统中,软组织形变技术占据着极其重要的地位。分析了自由曲面形变模型、Chain-Mail模型、弹簧质点模型、有限元模型、质量张量模型的优缺点后,本文研究并实现了一种改进的弹簧质点模型,即填充球模型。首先,在建模前需先获取建模数据。使用四面体网格剖分算法将物体面模型离散成四面体网格,对网格数据进行处理后可获得物体的体数据,即为建模所需数据。建立的填充球模型中,填充球是具有质量、转动惯量等物理属性的质点,填充球之间使用具备抗拉、抗弯和抗扭材料特性的弹簧连接。此外,本文引入了碰撞模型、行为模型和可视模型的概念,并介绍了一种为碰撞模型和行为模型间建立映射的方法,以及实现了基于包围球的碰撞检测算法。然后,分析模型的形变过程。根据弹簧的抗拉、抗弯和抗扭的材料属性,分析了其在伸缩、弯曲和扭转这三种情况下的力学方程,即求解了弹簧的应力情况。求解得到了弹簧施加给填充球的力和力矩后,继续分析填充球受到的外力,如交互力、重力,在这些力和力矩的作用下,分析并求解了填充球的运动方程组。此外,介绍了根据映射关系求解顶点新的位置的方法。最后,本文介绍了系统的框架以及设备模块和渲染模块,并详细展示了形变效果、系统计算效率等实验结果。根据实验结果可以证明得到,基于填充球的软组织形变模型,可以满足虚拟手术中对于实时性的要求,且具有通用性强、形变效果较为逼真的优点。
【关键词】：填充球 弹簧 软组织形变 虚拟手术 映射
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R61;TP391.9
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第1章 绪论8-15
• 1.1 研究的背景及意义8-10
• 1.1.1 虚拟现实和虚拟手术的介绍8-10
• 1.1.2 虚拟手术系统中的软组织形变技术10
• 1.2 软组织形变模型概述和研究现状10-13
• 1.2.1 自由曲面形变模型11
• 1.2.2 Chain-Mail模型11
• 1.2.3 弹簧质点模型11-12
• 1.2.4 有限元模型12
• 1.2.5 质量张量模型12-13
• 1.3 本文主要研究内容及组织结构13-15
• 1.3.1 主要研究内容13-14
• 1.3.2 本文组织结构14-15
• 第2章 填充球模型的建模及碰撞模型和行为模型间的映射15-37
• 2.1 引言15
• 2.2 获取填充球模型建模数据15-20
• 2.2.1 四面体网格生成算法介绍15-18
• 2.2.2 获取模型的体数据18-20
• 2.3 填充球模型的建模20-26
• 2.3.1 填充球的建模20-21
• 2.3.2 弹簧的建模21-26
• 2.4 建立碰撞模型和行为模型的映射26-32
• 2.4.1 碰撞模型、行为模型和可视模型的介绍26-28
• 2.4.2 建立碰撞模型和行为模型映射28-32
• 2.5 基于包围球的碰撞检测算法32-36
• 2.6 本章小结36-37
• 第3章 形变过程计算37-55
• 3.1 引言37
• 3.2 弹簧的力学计算37-45
• 3.2.1 伸缩弹簧的力学计算37-39
• 3.2.2 弯曲弹簧的力学计算39-43
• 3.2.3 扭转弹簧的力学计算43-45
• 3.3 填充球的受力计算45-47
• 3.4 填充球的运动计算47-50
• 3.4.1 填充球的平行运动47-49
• 3.4.2 填充球的旋转运动49-50
• 3.5 行为模型的形变过程计算50-54
• 3.5.1 行为模型的联动51-53
• 3.5.2 顶点法向量的更新53-54
• 3.6 本章小结54-55
• 第4章 虚拟手术系统介绍及实验结果55-70
• 4.1 引言55
• 4.2 虚拟手术系统介绍55-62
• 4.2.1 系统框架介绍55-57
• 4.2.2 设备模块介绍57-60
• 4.2.3 渲染模块介绍60-62
• 4.3 实验结果62-69
• 4.3.1 形变效果62-64
• 4.3.2 系统计算效率64-68
• 4.3.3 其它模型展示68-69
• 4.4 本章小结69-70
• 第5章 总结与展望70-72
• 5.1 本文工作总结70-71
• 5.2 后期工作展望71-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-77
• 攻读硕士期间参加的科研实践及发表的论文77

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本文编号：282039