本文關(guān)鍵詞：虛擬手術(shù)中基于填充球的軟組織形變模型的研究與實(shí)現(xiàn)，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來,虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐漸進(jìn)入了大眾的視野,由于其具備真實(shí)性、沉浸性、交互性、自主性等優(yōu)點(diǎn),虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于娛樂、醫(yī)療、教育、軍事、航空等領(lǐng)域。虛擬手術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域下的一個重要應(yīng)用,它具有節(jié)約培訓(xùn)醫(yī)生成本、提高手術(shù)成功率、可為醫(yī)療設(shè)備開發(fā)提供開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),因此,針對虛擬手術(shù)系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)的研究,是目前十分火熱的一個領(lǐng)域。由于手術(shù)器械與人體組織觸碰頻繁的原因,在虛擬手術(shù)系統(tǒng)中,軟組織形變技術(shù)占據(jù)著極其重要的地位。分析了自由曲面形變模型、Chain-Mail模型、彈簧質(zhì)點(diǎn)模型、有限元模型、質(zhì)量張量模型的優(yōu)缺點(diǎn)后,本文研究并實(shí)現(xiàn)了一種改進(jìn)的彈簧質(zhì)點(diǎn)模型,即填充球模型。首先,在建模前需先獲取建模數(shù)據(jù)。使用四面體網(wǎng)格剖分算法將物體面模型離散成四面體網(wǎng)格,對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可獲得物體的體數(shù)據(jù),即為建模所需數(shù)據(jù)。建立的填充球模型中,填充球是具有質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等物理屬性的質(zhì)點(diǎn),填充球之間使用具備抗拉、抗彎和抗扭材料特性的彈簧連接。此外,本文引入了碰撞模型、行為模型和可視模型的概念,并介紹了一種為碰撞模型和行為模型間建立映射的方法,以及實(shí)現(xiàn)了基于包圍球的碰撞檢測算法。然后,分析模型的形變過程。根據(jù)彈簧的抗拉、抗彎和抗扭的材料屬性,分析了其在伸縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)這三種情況下的力學(xué)方程,即求解了彈簧的應(yīng)力情況。求解得到了彈簧施加給填充球的力和力矩后,繼續(xù)分析填充球受到的外力,如交互力、重力,在這些力和力矩的作用下,分析并求解了填充球的運(yùn)動方程組。此外,介紹了根據(jù)映射關(guān)系求解頂點(diǎn)新的位置的方法。最后,本文介紹了系統(tǒng)的框架以及設(shè)備模塊和渲染模塊,并詳細(xì)展示了形變效果、系統(tǒng)計(jì)算效率等實(shí)驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明得到,基于填充球的軟組織形變模型,可以滿足虛擬手術(shù)中對于實(shí)時性的要求,且具有通用性強(qiáng)、形變效果較為逼真的優(yōu)點(diǎn)。
【關(guān)鍵詞】：填充球 彈簧 軟組織形變 虛擬手術(shù) 映射
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：R61;TP391.9
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第1章 緒論8-15
• 1.1 研究的背景及意義8-10
• 1.1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)和虛擬手術(shù)的介紹8-10
• 1.1.2 虛擬手術(shù)系統(tǒng)中的軟組織形變技術(shù)10
• 1.2 軟組織形變模型概述和研究現(xiàn)狀10-13
• 1.2.1 自由曲面形變模型11
• 1.2.2 Chain-Mail模型11
• 1.2.3 彈簧質(zhì)點(diǎn)模型11-12
• 1.2.4 有限元模型12
• 1.2.5 質(zhì)量張量模型12-13
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)13-15
• 1.3.1 主要研究內(nèi)容13-14
• 1.3.2 本文組織結(jié)構(gòu)14-15
• 第2章 填充球模型的建模及碰撞模型和行為模型間的映射15-37
• 2.1 引言15
• 2.2 獲取填充球模型建模數(shù)據(jù)15-20
• 2.2.1 四面體網(wǎng)格生成算法介紹15-18
• 2.2.2 獲取模型的體數(shù)據(jù)18-20
• 2.3 填充球模型的建模20-26
• 2.3.1 填充球的建模20-21
• 2.3.2 彈簧的建模21-26
• 2.4 建立碰撞模型和行為模型的映射26-32
• 2.4.1 碰撞模型、行為模型和可視模型的介紹26-28
• 2.4.2 建立碰撞模型和行為模型映射28-32
• 2.5 基于包圍球的碰撞檢測算法32-36
• 2.6 本章小結(jié)36-37
• 第3章 形變過程計(jì)算37-55
• 3.1 引言37
• 3.2 彈簧的力學(xué)計(jì)算37-45
• 3.2.1 伸縮彈簧的力學(xué)計(jì)算37-39
• 3.2.2 彎曲彈簧的力學(xué)計(jì)算39-43
• 3.2.3 扭轉(zhuǎn)彈簧的力學(xué)計(jì)算43-45
• 3.3 填充球的受力計(jì)算45-47
• 3.4 填充球的運(yùn)動計(jì)算47-50
• 3.4.1 填充球的平行運(yùn)動47-49
• 3.4.2 填充球的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動49-50
• 3.5 行為模型的形變過程計(jì)算50-54
• 3.5.1 行為模型的聯(lián)動51-53
• 3.5.2 頂點(diǎn)法向量的更新53-54
• 3.6 本章小結(jié)54-55
• 第4章 虛擬手術(shù)系統(tǒng)介紹及實(shí)驗(yàn)結(jié)果55-70
• 4.1 引言55
• 4.2 虛擬手術(shù)系統(tǒng)介紹55-62
• 4.2.1 系統(tǒng)框架介紹55-57
• 4.2.2 設(shè)備模塊介紹57-60
• 4.2.3 渲染模塊介紹60-62
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果62-69
• 4.3.1 形變效果62-64
• 4.3.2 系統(tǒng)計(jì)算效率64-68
• 4.3.3 其它模型展示68-69
• 4.4 本章小結(jié)69-70
• 第5章 總結(jié)與展望70-72
• 5.1 本文工作總結(jié)70-71
• 5.2 后期工作展望71-72
• 致謝72-73
• 參考文獻(xiàn)73-77
• 攻讀碩士期間參加的科研實(shí)踐及發(fā)表的論文77

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