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虚拟手术中建模与仿真关键技术研究

作　者: 张楠
导　师: 李金
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 虚拟手术三维建模碰撞检测切割仿真
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

虚拟手术是现代医学融合了计算机图形学、传感器技术、机器人学、生物力学以及虚拟现实技术而产生的多学科交叉的研究领域,作为现代医学中计算机辅助医疗的一个重要组成部分,虚拟手术在手术方案的制定、手术导航、远程医疗、手术教学以及手术训练等方面有着越来越重要的作用。由于人体组织的多样性和复杂的物理特性以及虚拟手术对真实感、沉浸感、交互感的高要求,虚拟手术中建模与仿真的关键技术则一直是这一领域研究的难点与热点。本文在对现有各种虚拟手术相关算法进行深入分析的基础上,重点研究了虚拟手术建模仿真中的三项关键技术：三维建模、碰撞检测和切割仿真。分别讨论了这三种关键技术目前常用的算法,其中三维建模从几何建模、物理建模、计算建模三个步骤来进行,研究了每种建模方式的几种典型模型,并进行比较分析。碰撞检测是虚拟手术系统中响真实感和沉浸感的重要因素,主要方法有空间分解法和层次包围盒法,在三维建模和碰撞检测的基础上进行虚拟切割仿真,主要方法有去除法和分裂法。本文以真实人体组织外形结构为依据,利用3DS Max软件,对人体的胃部组织、肾部组织以及手臂组织进行了三维建模,并保存为3DS格式文件,读入到OpenGL中进行交互控制。通过对这三种模型的线弹性模型的有限元分析给出其计算模型,然后分别对胃部模型、肾部模型、手臂模型进行拉伸和挤压处理,并给出其变形结果。在分析比较了几种包围盒的构造和性能上的差以后,本文选择了比较灵活和应用比较成熟的k-Dops包围盒进行碰撞检测。本文构造了胃部、肾部以及手臂的几何模型的k-Dops包围盒树,分析了不同碰撞情况下的基本几何元素的相交测试情况,实现了其与虚以手术刀的碰撞检测,并研究了模型变形后的包围盒树的更新情况。最后,在胃部、肾部以及手臂的几何模型和计算模型以及碰撞检测的基础上,对三种组织模型分别进行了不同深度的切割仿真,本文用分裂法进行切割仿真,定义了四面体单元与刀锋在不同碰撞情况下产生的分裂点和非分裂点,分析了虚拟手术刀与三维模型在不同的碰撞情况时基本几何元素的受力变形和分裂,并分别用虚拟手术刀对胃部模型、肾部模型以及手臂模型进行切割仿真,得到不同切割深度的仿真结果。

全文目录

摘要 5-6Abstract 6-9第1章绪论 9-17 1.1 课题研究的背景和意义 9-12 1.2 国内外研究现状 12-15 1.3 本文主要工作 15-17第2章虚拟手术中建模与仿真的关键技术 17-41 2.1 引言 17-18 2.2 虚拟手术中的三维建模 18-33 2.2.1 几何建模 18-27 2.2.2 物理建模 27-31 2.2.3 计算建模 31-33 2.3 虚拟手术中的碰撞检测 33-38 2.3.1 虚拟手术中碰撞检测的特点 33-35 2.3.2 碰撞检测常用的方法 35-36 2.3.3 基于包围盒树的碰撞检测算法 36-38 2.4 虚拟手术中的切割仿真 38-39 2.5 本章小结 39-41第3章三维模型的建立 41-51 3.1 引言 41 3.2 几何模型的构建 41-44 3.2.1 基于3DS Max的几何建模 41-42 3.2.2 建模结果 42-43 3.2.3 OpenGL绘制结果 43-44 3.3 有限元模型 44-50 3.3.1 四面体单元的自然坐标 44-45 3.3.2 线弹性物理模型的有限元计算 45-48 3.3.3 变形实验结果 48-50 3.4 本章小结 50-51第4章基于k-Dops包围盒的碰撞检测 51-59 4.1 引言 51 4.2 k-Dops包围盒算法基本原理 51-52 4.3 基本几何元素的碰撞检测 52-53 4.4 包围盒树的更新 53-57 4.4.1 活动对象运动后的包围盒树更新 54 4.4.2 环境对象变形后包围盒树的更新 54-57 4.5 碰撞检测实验结果 57-58 4.6 本章小结 58-59第5章虚拟切割仿真 59-71 5.1 引言 59 5.2 模型切割算法原理 59-60 5.3 切割变形计算 60-67 5.3.1 矩阵计算 60-62 5.3.2 力的合成 62-66 5.3.3 切割变形调整 66-67 5.4 切割仿真实验结果 67-70 5.5 本章小结 70-71结论 71-73参考文献 73-77攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 77-79致谢 79

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