虚拟眼角膜建模与实时交互手术仿真技术研究

发布时间：2021-09-25 01:52

　　近年来随着计算机技术的快速发展,在20世纪末出现了一项新的技术-虚拟现实技术（Virtual Reality,VR）,且该技术被广泛应用到了工业、医学、娱乐和教育等多个领域,其中,在医学领域中的一个重要应用就是虚拟手术仿真系统。在众多虚拟手术仿真中,眼角膜虚拟仿真手术的研究是一大难点,由于手术部位的敏感性和脆弱性,因此对外科医生进行术前培训是非常必要的,目前国内外眼角膜虚拟手术仿真系统的研究还比较少。本文针对眼角膜虚拟手术仿真系统的应用需求,重点进行了以下研究。提出了一种角膜混合变形模型与基于点的形变计算方法,该模型由角膜内部的质点模型和角膜边界的表面节点网格模型构成,通过基于位置的动力学方法来计算质点位移,进而求解角膜形变。在形变过程中为了保证模型的稳定性,在模型中加入了体积约束条件。当虚拟手术工具触碰到形变对象时,计算接触力的大小,使用MLS方法计算每个质点的位移梯度,最终根据表面节点与内部质点的几何映射关系求出表面形变。实验结果表明,该模型不仅能较好地模拟角膜的形变,而且在大的形变下具有比较好的稳定性,不会产生失真现象。设计实现了一种层次包围盒碰撞检测方法,简化了碰撞检测过程,可... 

【文章来源】：山东科技大学山东省

【文章页数】：61 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．２系统操作流程??Ｆｉｇ?１．２?Ｔｈｅ?ｆｌｏｗ?ｃｈａｒｔ??首先，我们结合网格结构和无网格方法构建一种混合模型

边缘厚的结构，中心厚度约有０．５－０．６ｍｍ，边缘厚度则约０．６－０．８ｍｍ。角膜从??前到后分为５层，分别为：上皮细胞层、前弹力层、基质层、后弹力层、内皮细??胞层［２３－２５］。为了保证角膜的透明性，角膜上是没有血管的。其几何形状如图２．１所??麵??／?視神経乳鼐??／?？?、视賺??＿?ＩＳ絡瞬??图２．１眼睛的结构??Ｆｉｇ?２．１?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｙｅ??角膜是一种黏弹性的软组织，对角膜施加外力，角膜可产生形变。从生物力??学角度来看，我们可以把角膜近似为各项同性且均质的软组织，因此，对角膜进??行建模时，可以考虑建立线弹性模型。??２．２几何建模??几何建模主要用于描述形变对象的文理、颜色以及表面的粗糙度等信息，三??维几何建模技术是虚拟手术系统研究中的一个重要方面，它是虚拟手术仿真的基??础。在虚拟手术环境中的所有操作都需要在重建出的器官的三维模型上进行。??简单形变对象的建模可以使用ＰＨＩＧＤ或Ａｕｔｏ?ＣＡＤ等相关的图形库和建模工??８??

Ｆｉｇ?２．２?Ｔｈｅ?ｇｅｏｍｅｔｒｙ?ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｅｙｅ??几何模型主要包含模型表面的节点的集合，以及节点之间的拓扑关系。使用??三维几何建模方法建立眼球的模型，如图２．２所示。其中前部网格比较密集的部位??是角膜部位，大约在眼球的签１／６部分，后面网格较稀疏的为除角膜之外眼睛的其??他组织。几何模型表面的节点数量和三角面片数量可根据计算需要进行调节和优??化。??２．３物理建模??几何建模是后面物理建模，然后才可以对模型进行计算操作，进而模拟相关??的形变和切割过程。目前的虚拟手术仿真模拟中主要采取质点弹簧方法、有限元??法和无网格法对形变对象进行物理建模。??２．３．１质点－弹簧模型??质点－弹簧模型（Ｍａｓｓ－Ｓｐｒｉｎｇ）普遍认为是将物体的质量离散到一个个的质点??上，然后这些带有质量的质点之间再使用弹簧连接来表现物体弹力、阻尼力等物??９??


本文编号：3408856