虚拟手术中软组织形变建模方法的研究

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1、分类号:密级:UDC:编号:工学博士学位论文虚拟手术中软组织形变建模方法的研究博士研究生:张建国指导教师:叶秀芬教授学科、专业:模式识别与智能系统哈尔滨工程大学2016年6月万方数据万方数据分类号:密级:UDC:编号:工学博士学位论文虚拟手术中软组织形变建模方法的研究博士研究生:张建国指导教师:叶秀芬教授学位级别:工学博士学科、专业:模式识别与智能系统所在单位:自动化学院论文提交日期:2016年5月5日论文答辩日期:2016年6月4日学位授予单位:哈尔滨工程大学万方数据万方数据ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofD.EngResea

2、rchontheSoftTissueDeformationModelingMethodsinVirtualSurgeryCandidate:ZhangJianguoSupervisor:Prof.YeXiufenAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:PatternRecognitionandIntelligentSystemDateofSubmission:May5,2016DateofOralExamination:June4,2016University:HarbinEngineeringUniversity万方数据万方

3、数据哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字):日期:年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定,即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工

4、程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索,可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文,可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文(□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者(签字):导师(签字):日期:年月日年月日万方数据万方数据虚拟手术中软组织形变建模方法的研究摘要随着计算机技术的快速发展和临床医疗水平的不断提升,虚拟手术系统已成为外科手术训练、术中导航、手术方案制定以及手术结果预测等方面不可或缺的辅助工

5、具。然而,由于虚拟手术系统的研究属于多学科交叉的前沿技术领域,因而研究难度较大。作为虚拟手术系统中的核心部分,研究高度逼真的软组织形变建模方法对于突破传统手术训练中的诸多限制、制定最佳手术方案以及提高手术成功率等方面均具有十分重要的意义。因此,本文以虚拟手术系统中的软组织形变建模作为研究内容,紧紧围绕软组织形变的视觉真实性和实时性展开深入的研究,主要工作如下:首先,论文对人体软组织在外力作用下的生物力学特性进行了分析,并给出了能够反映人体软组织粘弹性特性的常用模型,为深入研究真实的软组织形变建模方法奠定了理论基础。在软组织几何建模方面,针对使用Amira软件重建得到的人体软组织模型视觉真实性不

6、足的问题,提出了基于软组织模型包围盒的顶点纹理坐标计算方法,并对模型数据的存储方法进行了研究。此外,论文还研究了基于Sphere和AABB的混合层次包围盒方法以实现虚拟手术器械和软组织模型之间的快速相交测试,并通过实验验证了本文所提出的混合层次包围盒方法能够在一定程度上提升碰撞检测的效率。最后介绍了虚拟手术中的触觉反馈技术,通过研究、分析基于弹簧-阻尼器与基于纹理的反馈力计算方法可知,基于纹理的反馈力计算方法具有更高的触觉真实性。其次,论文研究了基于质点-弹簧形变模型的软组织形变方法,针对现有形变模型仅考虑结构和弯曲弹簧从而导致在形变过程中可能出现的塌陷和“超弹”等问题,提出基于自构弹簧的改进

7、形变模型来提高软组织形变的真实性。此外,论文还研究了软组织形变计算过程中常用的数值积分方法,并通过仿真实验验证了隐式欧拉积分法在较大的时间步长下仍具有较高的数值解算精度。为克服全局质点-弹簧模型中形变实时性较差的问题,论文提出了基于碰撞检测技术的局部形变方法,并对局部形变区域的层次包围盒树反向更新方法进行了深入研究。基于胃模型的仿真实验结果表明,本文所提出的局部质点-弹簧形变模型极大地降低了形变的

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