基于表面重建的实时软组织切割与变形算法实现

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1、上海交通大学硕士学位论文上海交通大学学位论文基于表面重建的实时软组织切割与变形算法实现IMPLEMENTATIONOFREAL-TIMECUTTINGANDDEFORMATIONALGORITHMSBASEDONSURFACERECONSTRUCTIONOFSOFTTISSUES硕士姓名：刘青专业：模式识别与智能系统学号：1070329162研究方向：医学图像处理与手术导航指导导师：姚莉秀副教授上海交通大学电子信息与电气工程学院2010年01月上海交通大学硕士学位论文基于表面重建的实时软组织切割与变形算法研究摘要在当前的医学诊断和治疗中，医学辅助导航系统越来

2、越受到了人们的重视。它可以帮助医生更加准确地发现病变位置，及时采取措施解除病人痛苦，还可以帮助训练外科医生的手术操作技能，帮助发现手术过程中可能出现的异常情况，避免意外发生等。在医学辅助导航系统中，对软组织进行交互式虚拟切割是一个必须的操作，它包括对切割和变形两个方面的仿真。如何对大量数据进行实时处理一直是一个较难解决的问题。本文基于表面重建后的软组织表面网格结构，研究如何对大量数据进行实时仿真处理。为了加快数据处理速度，本文改进了基于弹簧质点模型的网格变形处理算法，改进算法通过采用小范围数据仿真整体变形效果在一定的误差范围内大大提高了数据处理速度。改进算法

3、通过对软组织表面网格数据进行范围搜索后生成局部网格副本，然后对该网格副本进行细化处理。细化后的网格结构需要进行第二次范围搜索以进一步减少计算数据量，最终的变形计算在二次搜索后的网格结构上进行。文中还改进了弹簧质点模型的变形参数表达式，有效地防止了因某些边弹性系数过大而使仿真结果不收敛的情况发生，同时使变形结果更平I上海交通大学硕士学位论文滑，更接近实际变形效果。文中数据搜索采用图的广度遍历算法，切割操作采用三角面片剖分的方法。碰撞检测采用基于OBB包围盒的层次树方法，并在切割操作开始后采用切割路径与网格拓扑结构相结合的方法计算碰撞面，从而简化了包围盒的更新操

4、作。实验结果显示，本文算法能够很好地仿真软组织的切割变形过程，并且达到了辅助导航系统对实时性的要求。关键词：弹簧质点模型，碰撞检测，虚拟切割，AIF数据结构II上海交通大学硕士学位论文RESEARCHESONREAL-TIMECUTTINGANDDEFORMATIONBASEDONSURFACERECONSTRUCTIONOFSOFTTISSUESABSTRACTIncurrentmedicaldiagnosisandtreatment,medicalassistedsystemsarereceivingmoreandmoreattention.Withth

5、eirhelp,doctorscangettheirdiagnosismuchmoreeasily,andgivetreatmentmuchmorequickly.Also,itcantrainthesurgeons’operationskill,helpthemtofindtheconditionsunusualtoavoidaccidents.Inmedicalassistedsystems,interativeoperationsonsofttissuessuchasvirtualcuttingisalwaysnecessary,whichcontai

6、nscuttinganddeformationemulations.Howtodealwithsomuchdatainrealtimeisalwaysahardproblem.Inthispaperwemakeresearchesontheproblemmentionedbeforebasedonmeshesbuiltbysurfacereconstruction.Toacceleratethedataprocessingrate,animprovedalgorithmwasproposedinthispaperbasedonmass-springalgor

7、ithmtosimulatemeshdeformation.Byprocessingonlypartoftheentiredata,theimprovedalgorithmcangetthedeformationeffectmuchmorequicklywithintherangeofgivenerrors.Bysearchingonthemesh,thealgorithmgeneratesIII上海交通大学硕士学位论文acopyofpartofthemesh,andthenthereisarefinementonthemeshcopy.Afterrefin

8、ementwegiveasecondsearchin