虚拟手术中软组织建模方法研究

发布时间：2017-06-25 07:07

  本文关键词：虚拟手术中软组织建模方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：虚拟手术仿真系统作为虚拟现实技术在医学领域的一个典型应用,对于医生进行术前仿真,学习处理临床手术中可能出现的各种情况等方面有着重要作用。本文围绕虚拟手术仿真系统的虚拟组织建模、碰撞检测和力反馈形变算法展开了理论推导和分析,主要研究内容如下:首先,对弹簧-质点模型的拓扑结构进行了改进,以菱形作为新的结构单元,提高了计算精度和实时性。在新模型中增加了虚拟弹簧,用于约束由外力过大引起的超弹性现象,同时也用于力反馈形变计算,降低了计算的复杂度。其次,归纳比较不同碰撞检测算法的优缺点后,以碰撞检测的实时性和精确性为基础,选择包围球和轴向包围盒进行碰撞检测的仿真。采用Delphi软件来模拟碰撞,不仅给操作者提供一个直观的视觉碰撞效果,还可以全方位的观察碰撞情况,提高了碰撞检测的实时性和准确性。再次,针对力反馈形变算法对实时性和计算量的要求,提出了一种新的力反馈形变算法。该算法先筛选各层有效的运动质点,计算这些质点形成的区域面积,将形变层内的区域面积与虚拟弹力联系起来,物体表面的接触力就等效为形变层虚拟弹力的合力。形变过程中算法简单,降低了力反馈形变的计算量,满足了实时性的要求。最后,考虑到物体形变曲线与正态分布曲线类似,又提出了一种近似正态分布的函数算法,该算法体现了形变区域内距离受力中心点越远的质点反馈力越小,也更好的体现了形变过程中力与形变量之间的线性关系。最后通过相关的仿真实验验证了算法的可行性。
【关键词】：虚拟手术 弹簧-质点模型 Delphi软件 正态分布 力反馈形变算法
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.9;R61
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题研究的背景及意义10
• 1.2 国内外研究现状10-15
• 1.2.1 软组织建模方法11-13
• 1.2.2 碰撞检测模块13-14
• 1.2.3 力反馈技术模块14-15
• 1.4 本文研究内容及章节安排15-17
• 第2章 软组织建模方法17-27
• 2.1 弹簧-质点模型17
• 2.2 弹簧-质点模型的拓扑结构17-19
• 2.3 基于弹簧-质点模型的动力学方程19-20
• 2.4 改进的弹簧-质点模型结构20-23
• 2.5 仿真球体模型的构建23-25
• 2.6 本章小结25-27
• 第3章 碰撞检测模块的实现27-37
• 3.1 碰撞检测的基本方法27-30
• 3.1.1 包围球算法27-28
• 3.1.2 方向包围盒算法28-29
• 3.1.3 轴向包围盒算法29-30
• 3.2 混合层次包围盒算法30-32
• 3.2.1 包围球和方向包围盒结合的碰撞检测算法30-31
• 3.2.2 轴向包围盒和方向包围盒结合的碰撞检测算法31-32
• 3.3 Delphi软件的介绍32-36
• 3.4 本章小结36-37
• 第4章 力反馈形变算法的研究37-47
• 4.1 弹簧-质点模型动力学方程的常用求解方法37-40
• 4.1.1 欧拉（Euler）法38
• 4.1.2 龙格-库塔(Runge-Kutta)法38-40
• 4.2 改进的力反馈形变算法 140-43
• 4.3 改进的力反馈算法 243-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第5章 系统仿真和实验结果47-53
• 5.1 模型受力形变的仿真47-48
• 5.2 基于面积的反馈力形变计算的仿真48-51
• 5.3 改进的类似正态分布函数的仿真51-52
• 5.4 本章小结52-53
• 结论53-55
• 参考文献55-61
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果61-62
• 致谢62-63
• 作者简介63

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本文编号：481177