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基于力反馈的虚拟手术切割技术研究

作　者: 孙雨霞
导　师: 郭书祥
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 虚拟手术切割贝塞尔曲面平滑实时性力反馈
分类号: TP391.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

虚拟手术是虚拟现实技术与现代医学的完美结合,相应地虚拟手术仿真系统是一个通过在视觉和触觉等多方面为用户提供逼真的虚拟手术场景以对新任外科医生进行术前培训的虚拟现实应用系统，还可用于手术效果预测、手术导航等领域。借助于虚拟手术仿真系统不仅大大节约了培训新任外科医生的费用和时间，而且降低了手术过程中的风险性，在手术训练和复杂手术的推广方面发挥着显著的作用。软组织器官的切割操作是虚拟手术仿真系统研究的重点与难点。系统中的切割仿真除了对实时性、稳定性有要求之外，还应满足操作者在视觉和触觉两方面对真实感的要求，即切口平滑性和作用力的反馈。本文主要针对虚拟手术软组织体模型切割技术研究中常出现的切口不平滑和实时性差等问题展开了深入研究，创新性地提出了一种基于贝塞尔曲面的体模型切割算法，设计并实现了一个基于力反馈的软组织模型切割仿真系统。并在切割过程中增加了切口周围软组织的形变与恢复功能，使切割效果更加逼真。首先，根据基于力反馈的虚拟手术切割仿真系统的基本构成要素，确定系统的总体结构、程序设计框架、系统的软件和硬件组成以及软件功能模块。其次，几何建模方面，本文借助视觉渲染工具OpenGL建立虚拟人体皮肤软组织体模型。物理建模方面，选用质点-弹簧/阻尼器模型作为切割过程中软组织形变和切割及触觉交互的计算模型。再次，以贝赛尔曲线在面模型切割过程中的应用为背景，提出了一种新的基于贝塞尔曲面的体模型切割算法，使得在视觉方面，无论在表面切口还是在向里凹陷的深度切面上都实现了较为理想的平滑切割效果。最后，在触觉交互上，借助PHANToM Omni触觉交互设备实现了切割过程中虚拟手术刀与人体软组织模型的交互作用。并且在切割过程中增加了摩擦力，反馈给操作者的是弹簧弹力和摩擦力的合力，使力觉反馈更加真实。实验结果表明，基于贝塞尔曲面的切割算法解决了以往体模型切割过程中常出现的切口平滑和实时性难以均衡的问题，并在力反馈下实现这种算法同时满足了虚拟手术中对视觉和触觉的双重要求。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-17
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 虚拟手术体模型切割技术研究发展和现状  11-15
    1.2.1 国外研究现状  11-13
    1.2.2 国内研究现状  13-15
  1.3 研究内容及结构安排  15-17
第2章基于力反馈的虚拟手术切割系统的设计  17-26
  2.1 系统的总体结构与程序框架  17-18
    2.1.1 系统的总体结构  17-18
    2.1.2 系统程序设计框架  18
  2.2 系统的软硬件构成  18-23
    2.2.1 系统硬件组成  18-21
    2.2.2 系统软件组成  21-23
  2.3 系统的功能模块设计  23-25
  2.4 本章小结  25-26
第3章人体皮肤软组织模型的建模仿真  26-37
  3.1 几何建模  26-29
    3.1.1 人体软组织几何模型简述  26-27
    3.1.2 人体皮肤软组织器官的几何建模  27-28
    3.1.3 皮肤软组织几何模型的渲染  28-29
  3.2 物理建模  29-32
    3.2.1 软组织物理建模方法概述  29-31
    3.2.2 人体皮肤软组织物理模型的选择  31-32
  3.3 皮肤软组织形变研究与仿真实现  32-36
    3.3.1 皮肤软组织形变的计算模型  32-33
    3.3.2 皮肤软组织形变模型的数值计算  33-36
  3.4 本章小结  36-37
第4章基于贝塞尔曲面的切割算法  37-53
  4.1 贝塞尔曲线及切割算法应用背景  37-40
    4.1.1 贝塞尔（Bezier）曲线  37-39
    4.1.2 基于贝塞尔曲线的面模型切割算法应用  39-40
  4.2 贝塞尔曲面  40-41
    4.2.1 贝塞尔曲面的数学表述  40-41
    4.2.2 贝塞尔曲面的重要性质  41
  4.3 切割算法的研究  41-52
    4.3.1 切割算法中曲面的选择  41-43
    4.3.2 切割条件  43
    4.3.3 切割算法的实现过程  43-50
    4.3.4 切割过程中形变恢复  50-52
  4.4 本章小结  52-53
第5章力反馈下切割仿真实验及结果分析  53-61
  5.1 力反馈技术的研究  53-55
    5.1.1 力反馈技术原理  53-54
    5.1.2 力反馈的计算模型  54-55
  5.2 力反馈下切割仿真实验及算法性能分析  55-60
    5.2.1 切割仿真实验  55-57
    5.2.2 算法性能分析  57-60
  5.3 本章小结  60-61
结论  61-62
参考文献  62-67
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  67-68
致谢  68

基于力反馈的虚拟手术切割技术研究

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