虚拟手术中的软组织变形技术研究

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1、命裨學在尤大彥硕士学位论文凌拟手术中的软組鈇支形技术研免论文题目陈坤作者姓名精啬仪及机械学科专业郑津津教援导师姓名工〇一五年五刀完成时间硕士学位论文虚拟手术中的软组织模型变形技术研究作者姓名：陈帅学科专业：精密仪器及机械导师姓名：郑津津教授完成时间：二一五年五月十二日UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationformaster'sdegreeResearchonsofttissuedeformationtechnologyinvirtualsurgeryAuthor'sName：：：中国科学

2、技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研宄成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：略岭签字日期：遞中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以釆用影

3、印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。々公开口保密（年）作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：摘要摘要虚拟手术系统是虚拟现实技术和现代医学结合的产物，通过建立集成有视觉、触觉、听觉、嗅觉等多感知的虚拟手术环境，给予医生逼真的手术场景，实现手术培训教学和手术方案三维构思。一个典型的虚拟手术系统包括组织的建模、碰撞检测、变形计算、切割计算、图形绘制和触觉绘制。目前虚拟手术系统研究中存在仿真精度和速度之间的矛盾，如何平衡这对矛盾是研究人员一直以来面临的难题。本文围绕着

4、现存的技术难题对手术仿真中的常用的且具有代表性的变形计算展开深入研究，主要工作如下：首先，从力学角度分析了软组织生物力学特性，分别介绍了人体软组织的线弹性模型和粘弹性模型，及其适用环境。其次，釆用三维网格生成算法对软组织模型进行网格划分，对于网格质量的判断，本文提出了一种快速有效的判断准则。再次，针对有限元法处理软组织变形计算实时性差的问题，采用组织模型局部进行有限元计算代替整体的思路。并利用数据结构中的“有向图矩阵”，完成了对软组织的局部模型快速提取工作。最后，对软组织模型进行变形仿真，并对有限元计算进行了一定的优化，对比实验证明，在维持精度基本不受

5、影响的前提下，提升了计算速度。关键词：虚拟手术；变形计算；网格划分；局部模型；有限元法AbstractAbstractVirtualsurgerysystemisaproductofthevirtualrealitytechnologycombinedwithmodernmedicine，，，，，，，目录目录隨第章绪论课题背景及意义虚拟现实技术虚拟现实的发展虚拟现实在医学方面的应用虚拟手术系统虚拟手术系统的组成虚拟手术系统的研宄意义虚拟手术系统国内外研究现状国外研究现状国内研究现状论文主要研究内容第二章软组织生物力学特性生物组织的线弹性模型弹性力学基本

6、假设弹性力学求解方程生物组织的粘弹性模型蠕变现象松她现象滞后现象粘弹性力学模型目录第三章软组织形变建模与有限元网格生成算法虚拟软组织形变建模技术经典物理建模方法及其对比分析边界元模型长单元模型质点弹簧阻尼器模型有限元模型质点张量模型有限元网格划分准则和相关术语四面体网格划分四面体网格质量衡量准则模型存储方式第四章局部模型的提取手术区旳划分局部区域划分的算法实现局部可变思想算法实现过程载荷向节点的移置载荷作用在单元内部载荷作用在边界上实验结果第五章软组织模型的变形仿真引言有限求解方法静力凝聚技术有限元半带宽法变形计算实验第六章总结与展望目录删在校期间发表

7、的学术论文参考文献第一章绪论第章绪论课题背景及意义在传统手术训练中，由于训练样本的限制，存在着诸多问题：人类尸体来源有限，成本昂贵；人体橡胶模型由于材质问题与真实人体组织特性相差较大，缺乏真实感；而采用动物进行手术训练一方面其结构与人体差异较大，训练效果一般，另一方面与现在倡导的保护动物的理念背道而驰。对于一个经验不足医生来说，多次训练必不可少的，尤其对于肝脏手术这一类高难度手术。缺乏训练影响手术方案的制定以及手术中的应急处理，盲目的手术势必增加病人的危险性。这就意味着为医护人员开发一套全新的训练系统，能够让医护工作人员通过力学反馈设备在计算机上模拟手

8、术操作，这种手术系统能够为医护人员提供真实可靠的人体手术仿真训练。虚拟现实技术虚拟现实技术是基