本文關(guān)鍵詞：基于有限元的實(shí)時(shí)變形技術(shù)研究與應(yīng)用

  更多相關(guān)文章： 有限單元法 變形仿真 眼角膜 虛擬手術(shù) 質(zhì)點(diǎn)彈簧模型

【摘要】：變形仿真是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)物體受力變形過程進(jìn)行的模擬，要求精確性及實(shí)時(shí)性。有限元方法有著深厚的物理背景，尤其適用于需要提供精確形變仿真的場合，如虛擬手術(shù)仿真等，唯一的缺點(diǎn)是計(jì)算量較大。虛擬手術(shù)的出現(xiàn)給醫(yī)生帶來了更多的手術(shù)資源、更短的培訓(xùn)周期和更低的培訓(xùn)成本。由于活體組織的獲取極為困難，角膜虛擬手術(shù)成為當(dāng)今虛擬手術(shù)領(lǐng)域中迫切需要發(fā)展研究的對(duì)象。 首先，本文參數(shù)化構(gòu)造了一種人眼有限元模型，利用它進(jìn)行了眼內(nèi)壓加載、手術(shù)器械接觸及針刺仿真；然后，為提高仿真速度，對(duì)人眼模型進(jìn)行簡化，建立了局部有限元計(jì)算模型及混合模型；最后，構(gòu)建了人眼角膜質(zhì)點(diǎn)彈簧模型，并對(duì)比了有限元模型與質(zhì)點(diǎn)彈簧模型仿真的真實(shí)性及實(shí)時(shí)性。研究最終目的是為角膜虛擬手術(shù)提供合適的變形仿真模型。論文主要研究內(nèi)容如下： （1）綜合分析了虛擬手術(shù)的硬件組成、軟件組成及關(guān)鍵技術(shù)，具體研究了虛擬手術(shù)中利用有限元實(shí)現(xiàn)形變模擬的原理及計(jì)算模型。 （2）研究了人眼的生理結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性，基于臨床平均數(shù)據(jù)建立了較完整的人眼三維有限元模型，實(shí)現(xiàn)了模型在不同眼內(nèi)壓加載仿真，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，表明該模型可以準(zhǔn)確仿真角膜形變。 （3）提出了構(gòu)造局部計(jì)算模型的方法，有效降低了實(shí)時(shí)仿真計(jì)算量。研究建立角膜及部分鞏膜的局部有限元模型，并權(quán)衡計(jì)算精度及計(jì)算耗費(fèi)對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化，提高了角膜手術(shù)接觸變形仿真速度；根據(jù)角膜手術(shù)在特定區(qū)域切割、縫合且形變量小的特點(diǎn)，構(gòu)建了相應(yīng)的混合有限元模型，降低了針刺過程仿真的計(jì)算量。 （4）利用CHAI3D虛擬現(xiàn)實(shí)軟件框架，，基于改進(jìn)的質(zhì)點(diǎn)彈簧模型建立了角膜模型并實(shí)現(xiàn)了形變仿真，對(duì)質(zhì)點(diǎn)彈簧模型與有限元模型作了真實(shí)性與實(shí)時(shí)性比較。結(jié)果表明，雖然質(zhì)點(diǎn)彈簧模型實(shí)時(shí)性優(yōu)于有限元模型，但是不能表現(xiàn)真實(shí)的角膜生物力學(xué)特性，本文建立的有限元模型更適用于角膜手術(shù)仿真。
【關(guān)鍵詞】：有限單元法 變形仿真 眼角膜 虛擬手術(shù) 質(zhì)點(diǎn)彈簧模型
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TP391.9;R779.6
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 圖表清單8-10
• 注釋表10-11
• 縮略詞11-12
• 第一章 緒論12-21
• 1.1 有限元法及實(shí)時(shí)變形技術(shù)12-14
• 1.1.1 有限元的產(chǎn)生與發(fā)展12
• 1.1.2 有限元法在變形仿真技術(shù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀12-14
• 1.2 虛擬手術(shù)14-17
• 1.2.1 虛擬手術(shù)研究背景及應(yīng)用14-15
• 1.2.2 虛擬手術(shù)及其形變模型研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3 角膜虛擬手術(shù)17-19
• 1.3.1 角膜虛擬手術(shù)研究背景17-18
• 1.3.2 角膜建模與變形仿真現(xiàn)狀18-19
• 1.4 論文的工作及內(nèi)容安排19-21
• 第二章 虛擬手術(shù)有限元仿真技術(shù)與方法21-34
• 2.1 可視化計(jì)算機(jī)輔助虛擬手術(shù)系統(tǒng)21-24
• 2.1.1 虛擬手術(shù)系統(tǒng)的組成21-22
• 2.1.2 虛擬手術(shù)關(guān)鍵技術(shù)22-24
• 2.2 有限元物理模型形變仿真24-33
• 2.2.1 有限元仿真基本原理24-26
• 2.2.2 有限元仿真難點(diǎn)及基本假設(shè)26-27
• 2.2.3 有限元計(jì)算模型27-31
• 2.2.4 有限元求解算法31-33
• 2.3 本章小結(jié)33-34
• 第三章 角膜手術(shù)形變仿真34-54
• 3.1 眼組織形態(tài)及生物力學(xué)特性34-37
• 3.1.1 眼組織結(jié)構(gòu)及幾何形態(tài)34-36
• 3.1.2 生物力學(xué)特性及本構(gòu)方程36-37
• 3.2 角膜手術(shù)中的形變分析37-38
• 3.3 人眼幾何模型38-40
• 3.4 角膜手術(shù)接觸仿真40-47
• 3.4.1 單元選擇41-43
• 3.4.2 網(wǎng)格劃分43-44
• 3.4.3 邊界條件及加載求解44-46
• 3.4.4 手術(shù)器械接觸仿真46-47
• 3.5 有限元模型實(shí)時(shí)性優(yōu)化47-53
• 3.5.1 滑動(dòng)鉸支局部模型47-50
• 3.5.2 離散方式優(yōu)化50-52
• 3.5.3 整體有限元模型與局部有限元模型對(duì)比52-53
• 3.6 本章小結(jié)53-54
• 第四章 角膜手術(shù)針刺仿真54-59
• 4.1 混合模型54-55
• 4.2 針刺仿真55-58
• 4.2.1 局部細(xì)化模型56
• 4.2.2 仿真及手術(shù)區(qū)域確定56-58
• 4.3 實(shí)時(shí)性對(duì)比58
• 4.4 本章小結(jié)58-59
• 第五章 角膜虛擬手術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)59-65
• 5.1 質(zhì)點(diǎn)彈簧模型59-60
• 5.2 質(zhì)點(diǎn)彈簧模型角膜手術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)60-62
• 5.3 有限元與質(zhì)點(diǎn)彈簧兩種建模方法對(duì)比62-64
• 5.3.1 仿真真實(shí)性62-64
• 5.3.2 仿真實(shí)時(shí)性64
• 5.4 本章小結(jié)64-65
• 第六章 總結(jié)與展望65-67
• 6.1 全文總結(jié)65-66
• 6.2 研究展望66-67
• 參考文獻(xiàn)67-71
• 致謝71-72
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文72

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 呂洪波,王田苗,劉達(dá),胡磊,唐澤圣,申皓,田增民;基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的機(jī)器人外科手術(shù)模擬與培訓(xùn)系統(tǒng)研究[J];高技術(shù)通訊;2001年11期

2 夏瑞武;;APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用[J];機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新;2008年02期

3 譚珂;郭光友;潘新華;王勇軍;熊岳山;;一種鼻內(nèi)窺鏡虛擬手術(shù)仿真系統(tǒng)[J];計(jì)算機(jī)工程;2006年16期

4 葉秀芬;喬冰;郭書祥;郭慶昌;;虛擬手術(shù)仿真中人體軟組織形變技術(shù)的研究[J];計(jì)算機(jī)應(yīng)用;2009年02期

5 杜春娟;王小兵;劉愛珍;曾衍鈞;;眼固體生物力學(xué)研究[J];力學(xué)進(jìn)展;2006年03期

6 孫艷霞,鮑旭東,蔣春濤;軟組織建模中的有限元模型[J];生物醫(yī)學(xué)工程研究;2004年03期

7 吳鵬,趙龍,王勇軍,李思昆;一種基于有限元的形變模型算法[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào);2001年05期

8 黃紹輝;王博亮;;使用有限元模型仿真可變形物體的研究進(jìn)展[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào);2007年22期

9 張運(yùn)海,沈建新,胡利剛,廖文和;LASIK和PRK術(shù)中角膜數(shù)學(xué)建模[J];中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào);2003年04期

10 崔紅新,程方榮,王健智;有限元法及其在生物力學(xué)中的應(yīng)用[J];中醫(yī)正骨;2005年01期

本文編號(hào)：1008667