虚拟手术中软组织力触觉模型及再现技术研究

发布时间：2020-11-14 04:08

　　 虚拟现实技术的广泛发展已带动相关产业持续飞速发展,其行业包括医学、军事、娱乐等。在力反馈系统的助力下医学领域寻求突破性发展,与虚拟现实技术相结合,为远程医疗和手术培训等跨地理、跨物质性操作内容带来新的契机。虚拟手术也随之应运而生,丰富了传统手术的内容和实质。在虚拟手术中,软组织的建模仿真是重中之重,不仅决定了虚拟手术的质量,更决定了操作人员在操作时的真实感受和效率。实时性、仿真度、临场感是虚拟手术操作的最关键的特性指标,很多专家学者对虚拟软组织模型进行了深入研究。但是实时性和仿真度一直是困扰软组织变形的矛盾结合体,此消彼涨,不可调和。本文针对场合和需要对软组织仿真进行了研究,提出了相应的软组织变形仿真模型,本论文所做主要工作如下:(1)提出一种基于薄膜比拟和克里金插值的虚拟软组织扭转模型。该模型能够根据薄膜比拟法求解每个选取的关键点的形变量,然后利用克里金插值法求解关键点的位移大小。首先,利用克里金插值方法可以准确地确定软组织变形过程中各点的变形位置。其次,提出的膜模拟方法可以在类似于扭矩横截面的孔上拉伸薄膜。使扭曲变形的计算和分析更加直观,提高了大变形下的模型精度。克里金插值法能够利用调节加权值的大小以实现对于精度大小的控制。克里金插值和膜拟合法相结合可以准确地确定变形后的扭转位移,减少了模型的变形时间,满足了虚拟交互的实时性要求。(2)提出一种模拟软组织扭转变形的基于盘香弹簧的软组织模型。基于盘香弹簧的模型是包含同圆心的盘香弹簧通过由内而外的叠加而形成,所有盘香弹簧产生扭转变形量之和的叠加对外等效为软组织表面的变形。在一圈盘香弹簧上的扭转力达到最大后,下一圈才开始产生扭转变形,且在交互中反应在扭矩作用下计算出的软组织实时变形仿真的力可作为力反馈。盘香弹簧在施加力的情况下,它的变形量的计算的方法可以通过相同的方式来计算,从而使得弹簧变形量的速度上有所提升。在经过控制盘香弹簧的芯轴半径的大小、厚度和截面宽度等变量时能够仿真的虚拟软组织的类型更加多,使得模型的适用性更加好。(3)针对虚拟手术中对软组织抓取交互操作的实时性和精确性要求,提出一种基于利用遗传算法优化BP神经网络的空间抓取变形软组织模型。该模型将软组织表皮分割为网格区域在拉力作用下网格产生位移,通过研究圆柱形螺旋弹簧模型确定拉力与网格点的位移之间的关系,利用BP神经网络训练网格点与竖直方向拉力的数据得到软组织表皮任意点的受力情况和位移量。该模型视觉交互良好且实时反馈力触觉信号,可满足虚拟手术操作中对软组织抓取变形的操作。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.9;R61
【部分图文】：

业均以得到了很好的利用。Ｐａｕｌｕｓ拟仿真系统中的削减能力模拟手术、变形体的几何和拓扑表示，以及和扩展有限元离散化，讨论了基ｎ等人提出基于隐式时间积分的非界条件等问题。Ｗｅｎ?Ｔａｎｇ等人提出非线性软组织［７］。Ｈａｏｕｃｈｉｎｅ等人模型成功进行了微创手术的仿真［８］。??十九世纪六十年代开始进行研宄的ｎ－Ｇａｕｓｓ规则应用的模型。边界元

１．２．５光滑粒子流模型??光滑粒子流模型是对虚拟软组织采用连续的流体或者固体中进行相互作用的质点??组进行的分析，该模型的效果图如图１．３所示。每个质点上的承载质量和速度等各种物??理量，可以通过跟踪每个质点的运动轨道与求解质点组的动力学方程，从而求得系统的??动力学行为［３１］。假如质点数目足够多，则能比较精确地描述力学过程，此模型能够满足??质量守恒定律，而且易于对其进行编程的实现，但是由于计算量较大，实时性特征比较??难以满足。它还能对虚拟软组织的大变形进行仿真变形，但在进行不同虚拟软组织仿真??时具有一些局限性。该模型在虚拟软组织的仿真还不能完全对其进行模拟仿真，例如对??真实软组织的粘弹性和各向异性等特征，同时该模型在力触觉特性和鲁棒性等方面还需??要加强。??／?７??［Ａｒｍ??图１．３光滑粒子流模型??Ｍｕｌｌｅｒ等人采用光滑粒子流模型模拟了血液［３２］，利用加入表面张力因素等特征模拟??流体表面

１．２．５光滑粒子流模型??光滑粒子流模型是对虚拟软组织采用连续的流体或者固体中进行相互作用的质点??组进行的分析，该模型的效果图如图１．３所示。每个质点上的承载质量和速度等各种物??理量，可以通过跟踪每个质点的运动轨道与求解质点组的动力学方程，从而求得系统的??动力学行为［３１］。假如质点数目足够多，则能比较精确地描述力学过程，此模型能够满足??质量守恒定律，而且易于对其进行编程的实现，但是由于计算量较大，实时性特征比较??难以满足。它还能对虚拟软组织的大变形进行仿真变形，但在进行不同虚拟软组织仿真??时具有一些局限性。该模型在虚拟软组织的仿真还不能完全对其进行模拟仿真，例如对??真实软组织的粘弹性和各向异性等特征，同时该模型在力触觉特性和鲁棒性等方面还需??要加强。??／?７??［Ａｒｍ??图１．３光滑粒子流模型??Ｍｕｌｌｅｒ等人采用光滑粒子流模型模拟了血液［３２］，利用加入表面张力因素等特征模拟??流体表面
【参考文献】

相关期刊论文 前5条

1 廖志芳;孔令远;彭志文;黄晓宇;;四面体细分切割新算法[J];计算机应用研究;2015年12期

2 袁志勇;童倩倩;喻思娇;廖祥云;;基于压缩感知与LS_SVM的三维组织表面重建[J];华中科技大学学报(自然科学版);2014年08期

3 朱玲;叶秀芬;希吉尔;孙明;;基于Bézier曲线的虚拟手术切割新算法[J];计算机应用研究;2013年10期

4 徐少平;刘小平;李春泉;罗洁;江顺亮;;基于状态空间预计算的软组织实时形变模型[J];计算机工程;2012年22期

5 徐少平;李春泉;江顺亮;罗洁;;基于无网格的软组织切割模型的研究进展[J];中国生物医学工程学报;2012年01期

本文编号：2883056