本文關(guān)鍵詞：軟組織針穿刺虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性研究

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【摘要】：經(jīng)皮穿刺是微創(chuàng)手術(shù)的一個(gè)分支,在很多治療場(chǎng)合都有應(yīng)用,比如組織活檢、血栓摘除、腫瘤消融等。然而傳統(tǒng)的針穿刺訓(xùn)練方式直接在病人身體上進(jìn)行,有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的并發(fā)癥,針穿刺虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)能夠有效的解決上述問(wèn)題。本文主要對(duì)基于軟組織變形的針穿刺虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行了研究,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了實(shí)時(shí)的基于軟組織變形的針穿刺虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。它由三個(gè)模塊組成,分別是有限元變形計(jì)算模塊、圖像顯示模塊和力反饋模塊,本文關(guān)于實(shí)時(shí)性的研究也主要圍繞這幾個(gè)方面。首先,通過(guò)網(wǎng)格尺寸函數(shù)來(lái)控制網(wǎng)格的尺寸大小指導(dǎo)非均勻網(wǎng)格劃分從而減少產(chǎn)生的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)目,實(shí)現(xiàn)有限元分析計(jì)算的加速。在針穿刺場(chǎng)合下,更關(guān)注針軌跡附近的變形,因此要求針軌跡附近的網(wǎng)格單元?jiǎng)澋拿芤恍?其它的地方網(wǎng)格可以化的稀疏一些。同時(shí)應(yīng)當(dāng)避免出現(xiàn)角度很小的網(wǎng)格單元,因此需要對(duì)網(wǎng)格尺寸函數(shù)的梯度進(jìn)行控制。通過(guò)建立基于穿刺軌跡的網(wǎng)格尺寸控制模型,能夠合理的分配節(jié)點(diǎn)在空間的分布,比均勻網(wǎng)格劃分產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)數(shù)少,有限元分析計(jì)算更快。其次,利用快速點(diǎn)定位方法替代原來(lái)的點(diǎn)定位,對(duì)超聲圖像生成算法進(jìn)行優(yōu)化,使得生成二維超聲圖像的時(shí)間減少�？焖冱c(diǎn)定位充分地利用了四面體網(wǎng)格單元與超聲掃描平面的相交信息,使用一個(gè)中間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)存儲(chǔ)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格單元體編號(hào),使得對(duì)圖像中所有點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)定位的時(shí)間縮短。中間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要依賴Bresenham畫(huà)線算法找到線段上的像素點(diǎn)并對(duì)像素點(diǎn)賦予相應(yīng)的單元體編號(hào)數(shù)值。在獲得中間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之后,依據(jù)垂直掃描的方法遍歷圖像中的所有像素點(diǎn),計(jì)算像素點(diǎn)在體數(shù)據(jù)中的位置,從而求得相應(yīng)的像素值。在對(duì)超聲圖像生成算法進(jìn)行優(yōu)化之后,圖像生成時(shí)間明顯縮短。最后,進(jìn)行了基于軟組織變形的針穿刺虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。圖像顯示模塊實(shí)時(shí)的顯示虛擬的三維穿刺場(chǎng)景和二維的虛擬超聲圖像,有限元分析模塊依據(jù)組織與針之間的相互作用提供組織和針的變形位移,力反饋模塊將模擬的穿刺力反饋給操作者。為了建立正確的模型之間的相互位置關(guān)系,需要進(jìn)行多個(gè)坐標(biāo)系的統(tǒng)一,通過(guò)不同坐標(biāo)系間的變換才能完成。
【關(guān)鍵詞】：針穿刺虛擬訓(xùn)練系統(tǒng) 軟組織變形 實(shí)時(shí)性 網(wǎng)格尺寸控制 快速點(diǎn)定位
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TH789
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 課題研究背景12-13
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)13-21
• 1.2.1 網(wǎng)格劃分的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展13-16
• 1.2.2 超聲圖像生成方法的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展16-17
• 1.2.3 超聲引導(dǎo)仿真器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展17-21
• 1.3 研究目標(biāo)及意義21-24
• 1.3.1 研究目標(biāo)21-22
• 1.3.2 研究意義22
• 1.3.3 要研究?jī)?nèi)容22-24
• 1.4 本章小結(jié)24-26
• 第2章 有限元模型加速26-42
• 2.1 引言26
• 2.2 有限元模型加速的分析26-28
• 2.3 基于穿刺路徑的軟組織網(wǎng)格劃分建模28-30
• 2.4 哈密爾頓雅可比方程求解30-34
• 2.4.1 迭代法30-32
• 2.4.2 快速步進(jìn)法32-34
• 2.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)34-41
• 2.5.1 建立分析指標(biāo)34-36
• 2.5.2 水凝膠實(shí)驗(yàn)36
• 2.5.3 搜索尋優(yōu)36-37
• 2.5.4 擬合尋優(yōu)37-40
• 2.5.5 結(jié)果分析40-41
• 2.6 本章小結(jié)41-42
• 第3章 超聲圖像生成算法的優(yōu)化42-54
• 3.1 引言42
• 3.2 基于軟組織變形的插值法介紹42-45
• 3.3 初始方法介紹45-47
• 3.4 快速超聲圖像生成算法47-52
• 3.4.1 快速點(diǎn)定位47-49
• 3.4.2 基于快速點(diǎn)定位的超聲圖像生成算法實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析49-52
• 3.5 本章小結(jié)52-54
• 第4章 針穿刺虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的搭建54-66
• 4.1 引言54
• 4.2 系統(tǒng)框架介紹54-57
• 4.3 力反饋模塊設(shè)計(jì)57-58
• 4.4 圖像顯示模塊設(shè)計(jì)58-61
• 4.4.1 整體設(shè)計(jì)58
• 4.4.2 維超聲圖像顯示模塊的設(shè)計(jì)58-60
• 4.4.3 三維虛擬場(chǎng)景顯示模塊的設(shè)計(jì)60-61
• 4.5 坐標(biāo)系變換61-62
• 4.6 系統(tǒng)實(shí)物結(jié)構(gòu)62-64
• 4.7 本章小結(jié)64-66
• 第5章 總結(jié)與展望66-70
• 5.1 總結(jié)66-67
• 5.2 展望67-70
• 參考文獻(xiàn)70-76
• 附錄A 程序代碼76-85

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