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改进的弹簧振子模型及其在虚拟手术中的应用研究

作　者: 王彦臻
导　师: 熊岳山
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 计算机科学与技术
关键词: 虚拟手术形变模拟弹簧振子模型表面网格形状匹配逆向动力学心跳模拟广义圆柱
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 211次
引　用: 7次
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内容摘要

由于现代手术技术和手术设备的不断完善和发展,特别是内窥镜手术和介入手术的广泛应用,实施外科手术所需的知识和技能不断增加,外科医生需要大量的练习机会。虚拟手术是虚拟现实技术在现代医学领域中的应用,它为外科手术的教学和训练提供了一种新的、有效的手段。虚拟手术与传统的手术训练方法不同,它不需要依赖于类似动物、尸体等实体对象,可以重复练习。而且,虚拟手术并不存在对真实患者进行实习的风险,可以适用于经验不足的初学者学习手术技术。因此,虚拟手术对于手术训练和复杂手术的推广将会起到巨大的推动作用。除此之外,虚拟手术还可用作外科手术前的计划和预演以及对手术结果进行预先模拟和评估,减少手术的风险,避免发生医疗事故。实用的虚拟手术必须提供对手术场景的逼真的视觉反馈。人体中存在着大量可形变的软组织,而且手术过程中还有可能用到缝合线等可形变的器械,因此,在视觉上对可形变物体的形变行为进行模拟是虚拟手术中的一项关键技术。虚拟手术系统中的形变模拟必须满足实时性、健壮性和精确性的要求。由于虚拟手术系统必须保证实时交互,因此实时性是最重要的要求;在与用户的交互过程中,系统也必须保证稳定和健壮;而系统对于精确性的要求则可以放松,这是由于人体软组织本身就存在个体差异,而且结构非常复杂,难以获取其精确的物理参数。我们针对以上要求,结合所开发的“虚拟膝关节镜手术系统”和心脏介入仿真训练原型系统中的具体情况,采用改进弹簧振子模型实现对可形变物体的实时形变模拟。由于虚拟手术系统中可形变物体的几何、物理属性差别很大,我们提出了三种具体的改进模型对不同的物体进行模拟。对于虚拟手术系统中一般的软组织表面网格模型,我们提出了采用表面网格的改进弹簧振子模型。通过向表面网格中添加保持模型形状的刚体核并且采用形状匹配技术对刚体核进行更新,我们使得表面网格模型也可以较好的体现出体行为。通过采用逆向动力学技术,我们使得线弹性的弹簧振子模型可以表现出一定的非线性形变效果。对于心脏介入仿真中的心脏跳动,我们提出了基于复合弹簧振子模型的实时心跳模拟方法。在这种方法中,我们忽略了心脏跳动时的微观生理和物理效应,而是根据心跳的基本规律,采用心脏的复合弹簧振子模型实现了视觉上具有逼真效果的实时心跳模拟。对于虚拟手术系统中特殊的绳状软组织和器械,我们提出了结合广义圆柱的弹簧振子模型。在这种模型中,我们首先计算物体的形变计算模型的形变结果,然后使用广义圆柱的思想将形变计算模型与物体的视觉显示模型结合起来。这些模型都具有很高的实时性和健壮性,而且对于各自面向的特定可形变物体,都可以提供满足视觉上逼真性要求的形变结果。最后,以上三种模型都被应用于我们开发的虚拟手术系统中。在应用过程中,我们采用了面向对象的开发思想将它们与整个系统的软件体系结构相结合。我们还基于VRML标准为可形变模型规定了文件格式,便于虚拟手术系统与其它辅助软件进行模型数据的交换,也便于可形变模型与刚体模型格式上的统一。系统实现的结果表明,我们所提出的改进的弹簧振子模型能够满足虚拟手术系统中实时形变模拟的要求。

全文目录

摘要  9-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-18
  1.1 虚拟手术概述  13-14
  1.2 形变模拟概述  14-16
    1.2.1 基于物理的形变模型  15-16
    1.2.2 研究现状  16
  1.3 本文的研究工作  16-17
  1.4 本文的组织结构  17-18
第二章弹簧振子模型概述  18-22
  2.1 基本的弹簧振子模型  18-19
  2.2 积分求解方法  19-20
  2.3 相关工作  20-22
第三章使用表面网格的改进弹簧振子模型  22-32
  3.1 添加刚体核的弹簧振子模型  22-24
  3.2 基于形状匹配的整体性形变模拟  24-26
    3.2.1 刚体运动的模拟  24-25
    3.2.2 伸缩和切变的模拟  25-26
  3.3 “超弹性”现象的修正  26-28
  3.4 算法复杂度与性能评价  28-32
    3.4.1 算法复杂度分析  28-30
    3.4.2 模型性能评价  30-32
第四章基于复合弹簧振子模型的实时心跳模拟  32-40
  4.1 人类心脏结构和跳动规律  32-34
  4.2 心脏的复合弹簧振子模型  34-35
  4.3 实时心跳模拟  35-38
    4.3.1 简化的心脏跳动规律  36-37
    4.3.2 心脏外表面跳动模拟  37
    4.3.3 冠状动脉运动模拟  37-38
  4.4 算法复杂度与性能评价  38-40
第五章结合广义圆柱的弹簧振子形变模型  40-50
  5.1 广义圆柱  41-43
    5.1.1 一般广义圆柱的参数化方法  41-42
    5.1.2 广义圆柱的分类  42-43
  5.2 结合广义圆柱的弹簧振子模型  43-45
    5.2.1 形变计算模型  44
    5.2.2 视觉显示模型  44-45
  5.3 细节：特殊行为与交互的模拟  45-48
    5.3.1 韧带探查的模拟  45-47
    5.3.2 径向不可伸缩性的模拟  47
    5.3.3 钢丝弯曲特性和塑性的模拟  47-48
  5.4 模拟结果与性能分析  48-50
第六章虚拟手术系统中形变模拟的实现  50-63
  6.1 系统软硬件环境  50-52
    6.1.1 PHANToM(?)触觉交互设备  50-51
    6.1.2 GHOST SDK软件开发包  51-52
  6.2 系统整体框架  52-54
  6.3 形变模拟模块实现  54-59
    6.3.1 可形变模型文件格式  54-57
    6.3.2 可形变模型类设计  57-59
    6.3.3 形变模拟流程  59
  6.4 系统实现结果  59-63
    6.4.1 系统人机界面  60-61
    6.4.2 形变模拟效果  61-63
第七章总结与展望  63-66
  7.1 研究工作总结  63-64
  7.2 工作展望  64-66
致谢  66-67
攻读硕士期间发表的论文  67-68
参考文献  68-71

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