本文關(guān)鍵詞：應(yīng)用于移動平臺的肝臟建模與形變仿真方法研究

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【摘要】：虛擬手術(shù)技術(shù)在教育教學(xué)以及手術(shù)訓(xùn)練等領(lǐng)域具有重要的實用價值。隨著醫(yī)療設(shè)備向小型化的方向發(fā)展以及智能移動平臺的普及，將兩者的優(yōu)勢結(jié)合，構(gòu)建基于移動平臺的虛擬手術(shù)系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。虛擬手術(shù)技術(shù)的核心是器官組織的精確建模以及柔性形變的精確模擬。如何從CT圖像中準(zhǔn)確地分割出器官組織依然是目前醫(yī)學(xué)影像分析領(lǐng)域研究的熱點和難點；另外，由于移動平臺計算能力有限，圖形繪制與渲染的效率較低，，如何實現(xiàn)輕量化的碰撞檢測和柔性形變仿真依然有諸多亟待解決的問題。 本文在分析虛擬手術(shù)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點研究了肝臟的分割建模方法、移動平臺下的碰撞檢測方法以及器官的柔性形變仿真方法。提出了一種基于三維形變模型的肝臟分割算法，將梯度信息、Gabor信息以及氣球力引入形變模型外力的計算過程，驅(qū)動初始模型向肝臟邊緣進行迭代逼近從而實現(xiàn)對肝臟的分割。通過射線投射法和包圍盒樹優(yōu)化方法實現(xiàn)對虛擬手術(shù)器械與肝臟的碰撞檢測。基于質(zhì)點-彈簧模型實現(xiàn)對器官柔性形變的仿真，在移動平臺下實現(xiàn)了肝臟和虛擬手術(shù)器械交互反饋系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)。本文主要研究內(nèi)容包括： （1）實現(xiàn)了肝臟的分割建模。構(gòu)建了形變模型的內(nèi)外力，通過圖像的梯度信息、Gabor信息和氣球力構(gòu)建形變模型的外力，基于待分割器官的連續(xù)性和平滑性構(gòu)建形變模型的內(nèi)力。以肝臟圖像預(yù)處理獲取的肝臟邊界作為模型的初始輪廓，在形變模型內(nèi)外力的作用下驅(qū)動模型逼近肝臟邊緣從而實現(xiàn)對肝臟的分割與建模。 （2）提出了應(yīng)用于移動平臺的碰撞檢測方法。建立了虛擬器械的運動模型，定義了虛擬運動的參數(shù)描述方法。將虛擬手術(shù)器械的接觸點簡化為單一虛擬質(zhì)點，使用射線投射法判定實現(xiàn)對虛擬質(zhì)點與模型的碰撞檢測，同時使用包圍盒樹優(yōu)化方法實現(xiàn)對任意曲面模型間的結(jié)構(gòu)判定和碰撞檢測。 （3）實現(xiàn)了移動平臺下的肝臟形變仿真。使用質(zhì)點-彈簧模型構(gòu)建肝臟的形變場，對模型形變區(qū)域的范圍和擴展速度進行優(yōu)化，減少了參與形變計算的元素數(shù)目，提高了形變模型的效率。完成了移動平臺下肝臟模型的三維渲染、碰撞檢測以及柔性形變仿真。設(shè)計了肝臟形變交互的軟件系統(tǒng)，通過藍牙通信實現(xiàn)了該仿真系統(tǒng)與現(xiàn)有觸覺反饋硬件系統(tǒng)的集成。
【關(guān)鍵詞】：虛擬手術(shù) 移動平臺 分割 碰撞檢測 柔性形變
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：R319;TP391.9
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 研究背景和意義10-12
• 1.2 相關(guān)工作的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-16
• 1.2.1 肝臟分割12-14
• 1.2.2 軟組織形變模型14-16
• 1.3 本文的主要工作及貢獻16-17
• 1.4 本文的組織結(jié)構(gòu)17-18
• 第二章 基于形變模型的肝臟分割建模方法18-28
• 2.1 肝臟 CT 圖像預(yù)處理和初始輪廓提取18-22
• 2.1.1 自動閾值分割19-20
• 2.1.2 肝臟中值濾波20-21
• 2.1.3 基于連通域的肝臟區(qū)域識別21
• 2.1.4 肝臟邊緣獲取方法21-22
• 2.2 形變模型構(gòu)建方法22-26
• 2.2.1 改進的 Snake 模型22-23
• 2.2.2 外部能量約束模型23-25
• 2.2.3 Snake 模型求解方法25-26
• 2.3 實驗結(jié)果26-27
• 2.4 本章小結(jié)27-28
• 第三章 器械虛擬運動與碰撞檢測方法28-43
• 3.1 手術(shù)器械虛擬運動模型28-30
• 3.2 碰撞檢測方法30-38
• 3.2.1 問題描述30-32
• 3.2.2 射線投射法32-36
• 3.2.3 包圍盒樹優(yōu)化法36-38
• 3.3 實驗設(shè)計38-42
• 3.3.1 實驗結(jié)果38-40
• 3.3.2 移動平臺效率對比40-42
• 3.4 本章小結(jié)42-43
• 第四章 移動平臺下的交互反饋與應(yīng)用開發(fā)43-69
• 4.1 柔性形變仿真43-49
• 4.1.1 形變模型研究43-45
• 4.1.2 形變模型優(yōu)化45-47
• 4.1.3 柔性形變仿真流程47-49
• 4.2 柔性形變實驗分析49-57
• 4.2.1 模型優(yōu)化效果49-51
• 4.2.2 不同參數(shù)對實驗結(jié)果的影響51-57
• 4.3 系統(tǒng)開發(fā)57-68
• 4.3.1 三維渲染模塊58-63
• 4.3.2 系統(tǒng)界面設(shè)計63-64
• 4.3.3 系統(tǒng)功能設(shè)計64-66
• 4.3.4 系統(tǒng)應(yīng)用集成66-68
• 4.4 本章小結(jié)68-69
• 第五章 總結(jié)與展望69-71
• 參考文獻71-78
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單78-79
• 致謝79

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前5條

1 吳崢;謝叻;馬浩博;;虛擬手術(shù)實時物體碰撞檢測和軟組織變形研究[J];計算機仿真;2010年02期

2 趙新燦;左洪福;;增強現(xiàn)實技術(shù)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用及展望[J];航空維修與工程;2008年06期

3 郭煜;秦t

本文編號：1043828