虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的廣泛發(fā)展已帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)持續(xù)飛速發(fā)展,其行業(yè)包括醫(yī)學(xué)、軍事、娛樂(lè)等。在力反饋系統(tǒng)的助力下醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)で笸黄菩园l(fā)展,與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合,為遠(yuǎn)程醫(yī)療和手術(shù)培訓(xùn)等跨地理、跨物質(zhì)性操作內(nèi)容帶來(lái)新的契機(jī)。虛擬手術(shù)也隨之應(yīng)運(yùn)而生,豐富了傳統(tǒng)手術(shù)的內(nèi)容和實(shí)質(zhì)。在虛擬手術(shù)中,軟組織的建模仿真是重中之重,不僅決定了虛擬手術(shù)的質(zhì)量,更決定了操作人員在操作時(shí)的真實(shí)感受和效率。實(shí)時(shí)性、仿真度、臨場(chǎng)感是虛擬手術(shù)操作的最關(guān)鍵的特性指標(biāo),很多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)虛擬軟組織模型進(jìn)行了深入研究。但是實(shí)時(shí)性和仿真度一直是困擾軟組織變形的矛盾結(jié)合體,此消彼漲,不可調(diào)和。本文針對(duì)場(chǎng)合和需要對(duì)軟組織仿真進(jìn)行了研究,提出了相應(yīng)的軟組織變形仿真模型,本論文所做主要工作如下:(1)提出一種基于薄膜比擬和克里金插值的虛擬軟組織扭轉(zhuǎn)模型。該模型能夠根據(jù)薄膜比擬法求解每個(gè)選取的關(guān)鍵點(diǎn)的形變量,然后利用克里金插值法求解關(guān)鍵點(diǎn)的位移大小。首先,利用克里金插值方法可以準(zhǔn)確地確定軟組織變形過(guò)程中各點(diǎn)的變形位置。其次,提出的膜模擬方法可以在類(lèi)似于扭矩橫截面的孔上拉伸薄膜。使扭曲變形的計(jì)算和分析更加直觀,提高了大變形下的模型精度�？死锝鸩逯捣軌蚶谜{(diào)節(jié)加權(quán)值的大小以實(shí)現(xiàn)對(duì)于精度大小的控制�？死锝鸩逯岛湍M合法相結(jié)合可以準(zhǔn)確地確定變形后的扭轉(zhuǎn)位移,減少了模型的變形時(shí)間,滿(mǎn)足了虛擬交互的實(shí)時(shí)性要求。(2)提出一種模擬軟組織扭轉(zhuǎn)變形的基于盤(pán)香彈簧的軟組織模型。基于盤(pán)香彈簧的模型是包含同圓心的盤(pán)香彈簧通過(guò)由內(nèi)而外的疊加而形成,所有盤(pán)香彈簧產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形量之和的疊加對(duì)外等效為軟組織表面的變形。在一圈盤(pán)香彈簧上的扭轉(zhuǎn)力達(dá)到最大后,下一圈才開(kāi)始產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形,且在交互中反應(yīng)在扭矩作用下計(jì)算出的軟組織實(shí)時(shí)變形仿真的力可作為力反饋。盤(pán)香彈簧在施加力的情況下,它的變形量的計(jì)算的方法可以通過(guò)相同的方式來(lái)計(jì)算,從而使得彈簧變形量的速度上有所提升。在經(jīng)過(guò)控制盤(pán)香彈簧的芯軸半徑的大小、厚度和截面寬度等變量時(shí)能夠仿真的虛擬軟組織的類(lèi)型更加多,使得模型的適用性更加好。(3)針對(duì)虛擬手術(shù)中對(duì)軟組織抓取交互操作的實(shí)時(shí)性和精確性要求,提出一種基于利用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的空間抓取變形軟組織模型。該模型將軟組織表皮分割為網(wǎng)格區(qū)域在拉力作用下網(wǎng)格產(chǎn)生位移,通過(guò)研究圓柱形螺旋彈簧模型確定拉力與網(wǎng)格點(diǎn)的位移之間的關(guān)系,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練網(wǎng)格點(diǎn)與豎直方向拉力的數(shù)據(jù)得到軟組織表皮任意點(diǎn)的受力情況和位移量。該模型視覺(jué)交互良好且實(shí)時(shí)反饋力觸覺(jué)信號(hào),可滿(mǎn)足虛擬手術(shù)操作中對(duì)軟組織抓取變形的操作。
【學(xué)位單位】：南京信息工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TP391.9;R61
【部分圖文】：

業(yè)均以得到了很好的利用。Ｐａｕｌｕｓ擬仿真系統(tǒng)中的削減能力模擬手術(shù)、變形體的幾何和拓?fù)浔硎荆约昂蛿U(kuò)展有限元離散化，討論了基ｎ等人提出基于隱式時(shí)間積分的非界條件等問(wèn)題。Ｗｅｎ?Ｔａｎｇ等人提出非線性軟組織［７］。Ｈａｏｕｃｈｉｎｅ等人模型成功進(jìn)行了微創(chuàng)手術(shù)的仿真［８］。??十九世紀(jì)六十年代開(kāi)始進(jìn)行研宄的ｎ－Ｇａｕｓｓ規(guī)則應(yīng)用的模型。邊界元

１．２．５光滑粒子流模型??光滑粒子流模型是對(duì)虛擬軟組織采用連續(xù)的流體或者固體中進(jìn)行相互作用的質(zhì)點(diǎn)??組進(jìn)行的分析，該模型的效果圖如圖１．３所示。每個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的承載質(zhì)量和速度等各種物??理量，可以通過(guò)跟蹤每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌道與求解質(zhì)點(diǎn)組的動(dòng)力學(xué)方程，從而求得系統(tǒng)的??動(dòng)力學(xué)行為［３１］。假如質(zhì)點(diǎn)數(shù)目足夠多，則能比較精確地描述力學(xué)過(guò)程，此模型能夠滿(mǎn)足??質(zhì)量守恒定律，而且易于對(duì)其進(jìn)行編程的實(shí)現(xiàn)，但是由于計(jì)算量較大，實(shí)時(shí)性特征比較??難以滿(mǎn)足。它還能對(duì)虛擬軟組織的大變形進(jìn)行仿真變形，但在進(jìn)行不同虛擬軟組織仿真??時(shí)具有一些局限性。該模型在虛擬軟組織的仿真還不能完全對(duì)其進(jìn)行模擬仿真，例如對(duì)??真實(shí)軟組織的粘彈性和各向異性等特征，同時(shí)該模型在力觸覺(jué)特性和魯棒性等方面還需??要加強(qiáng)。??／?７??［Ａｒｍ??圖１．３光滑粒子流模型??Ｍｕｌｌｅｒ等人采用光滑粒子流模型模擬了血液［３２］，利用加入表面張力因素等特征模擬??流體表面

１．２．５光滑粒子流模型??光滑粒子流模型是對(duì)虛擬軟組織采用連續(xù)的流體或者固體中進(jìn)行相互作用的質(zhì)點(diǎn)??組進(jìn)行的分析，該模型的效果圖如圖１．３所示。每個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的承載質(zhì)量和速度等各種物??理量，可以通過(guò)跟蹤每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌道與求解質(zhì)點(diǎn)組的動(dòng)力學(xué)方程，從而求得系統(tǒng)的??動(dòng)力學(xué)行為［３１］。假如質(zhì)點(diǎn)數(shù)目足夠多，則能比較精確地描述力學(xué)過(guò)程，此模型能夠滿(mǎn)足??質(zhì)量守恒定律，而且易于對(duì)其進(jìn)行編程的實(shí)現(xiàn)，但是由于計(jì)算量較大，實(shí)時(shí)性特征比較??難以滿(mǎn)足。它還能對(duì)虛擬軟組織的大變形進(jìn)行仿真變形，但在進(jìn)行不同虛擬軟組織仿真??時(shí)具有一些局限性。該模型在虛擬軟組織的仿真還不能完全對(duì)其進(jìn)行模擬仿真，例如對(duì)??真實(shí)軟組織的粘彈性和各向異性等特征，同時(shí)該模型在力觸覺(jué)特性和魯棒性等方面還需??要加強(qiáng)。??／?７??［Ａｒｍ??圖１．３光滑粒子流模型??Ｍｕｌｌｅｒ等人采用光滑粒子流模型模擬了血液［３２］，利用加入表面張力因素等特征模擬??流體表面
【參考文獻(xiàn)】

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1 廖志芳;孔令遠(yuǎn);彭志文;黃曉宇;;四面體細(xì)分切割新算法[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究;2015年12期

2 袁志勇;童倩倩;喻思嬌;廖祥云;;基于壓縮感知與LS_SVM的三維組織表面重建[J];華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2014年08期

3 朱玲;葉秀芬;希吉爾;孫明;;基于Bézier曲線的虛擬手術(shù)切割新算法[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究;2013年10期

4 徐少平;劉小平;李春泉;羅潔;江順亮;;基于狀態(tài)空間預(yù)計(jì)算的軟組織實(shí)時(shí)形變模型[J];計(jì)算機(jī)工程;2012年22期

5 徐少平;李春泉;江順亮;羅潔;;基于無(wú)網(wǎng)格的軟組織切割模型的研究進(jìn)展[J];中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào);2012年01期

本文編號(hào)：2883056