微创虚拟手术中的血管建模与碰撞检测算法研究

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1、犬遠拔大學ＤＡＬＡＮＵＮＩＶＥＩＴＹＦＴＯＧＹＩＲＳＯＥＣＨＮＯＬ肺士享位ｉ它文ＭＡＳＴＥＲＡＬＤＩＳＳＥＲＴＡＴＩＯＮ擧＾＾！／＾＼微创虚拟手术中的血管建模与碰撞检测算法研究生物医学工程学科专业作者姓名３＿ｍ＿＿：指导教师刘蓉副教授２０１５年６月答辩日期硕士学位论文微创虚拟手术中的血管建模与碰撞检测算法研究ｅ．ＯｎｔｈＶａｓｃｕｌａｒＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＣｏｌｌｉｓｉｏｎＤｅｔｅｃｔｉｏｎＡｌｏｒｉｔｈｍｓｆｏｒｇＭｉｎｉｍａｌｌＩｎｖａｓｉｖｅＶｉｒｔｕａｌＳｕｒｅｒｙｇｙ作者姓名

2、：张婷学科、专业：生物医学工程学号：２１２０９２４２指导教师：刘蓉完成日期：２０１５．６．１式遠理工大摩ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ７大连理工大学学位论文独创性声明’作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究．工作所取得的成果。尽我所知，除文中巳经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体巳经发表的研究成果，也不包含其他巳申请学位或其他用途使用过的成果一同工作的同志对本研究所做的贡献。与我均巳在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承

3、担相关法律责任。学位论文题目：？别如队寺神釣通谱連積辦播核艰制秀作者签名：６日期：年＜月日孩》大连理工大学硕士学位论文摘要微创虚拟血管手术仿真系统结合了计算机图形学、现代医学和虚拟仿真技术，通过一对微创血管手术的模拟，为很多临床医生和实习生再现出了个真实的手术场景，不但提高了用户的手术技能，同时大大减少手术误差。在保证安全的基础上，微创虚拟手术系统应为手术过程提供足够真实性的同时，还应使医生能自然和本能地控制工具的运动，。这就要求系统具有高临，充分利用其固有的感觉和反应能力发拝其熟练手术技能场感。为了解决仿真逼真性低、行为模型不够完善以及

4、实时性和准确性相矛盾的问题，本文以腹主动脉血管为研宄对象、几，对微创虚拟血管手术仿真系统中的三维模型重建何模型的优化、物理形变模型仿真、实时碰撞检测等关键技术进行了研究，研究主要内容概括如下：（１）血管的三维几何构建是微创虚拟血管手术系统的基础，本文针对血管造影图像对比度不均衡和血管边界模糊的问题，釆用Ｍｉｍｉｃｓｌ５．０（Ｍａｔｅｒｉａｌｉｓｅ公司，比利时）软件对血管ＣＴ数据进行了分割、编辑和三维重建，同时对模型进行了相应的优化和检验。通过Ｍｉｍｉｃｓ软件，采用混合自动分割的方式将血管组织分割出来，并通过空腔填．充解决因造影图像对比度不均勾造成的血管蒙版

5、信息丢失的问题，同时，通过蒙版编辑对血管进行边界增强并去噪。（２）针对血管壁复杂的组织构成，本文釆用基于四面体网格的粘弹性有限元模型来模拟血管的形变。由于有限元模型在形变过程中需要进行大量的计算，在保证腹主动脉血管形变模型的精度的同时，，结合真实血管的形变数据本文将血管分为线性弹性形变部分和非线性形变部分。同时，本文利用Ｍｉｍｉｃｓ软件对有限元的四面体网格进行分析和优化，获得高质量的体网格。（３）血管的有限元模型比较复杂，致使其碰撞检测计算量和计算时间相对较大。为了减少相交测试时间，提高检测精度，本文提出了基于轴向包围盒（ＡｌｉｇｎｅｄＡｘｉｓＢｏｕｎｄ－ｉｎＢ

6、ｏｘＢｃｒｅｉｔｏ，ＡＡＢ）和离ｔｅＯｒｉｅｎｔａｔｏｎＰｏｌｅｓ，ＫＤＯＰｓ）ｇ散方向包围盒（Ｄｉｓｙｐ的混合双层包围盒碰撞检测算法。该方法分为粗糙检测和精确检测两个阶段，上层（外层）釆用ＡＡＢＢ快速排出不可能发生碰撞检测的几何集－，下层（内层）釆用ＫＤＯＰｓ较精确地测试可能发生碰撞的几何集并检测出碰撞点。本文通过模拟微创虚拟血管手术过程中血管与手术刀相接触的场景，对血管的形变模型和碰撞检测进行了检验。实验表明，通过Ｍｉｍｉｃｓ进行三维重建和模型优化，不但提高了重建模型的精度，还极大地提高了建模的速度。改进的血管形变模型以及用Ｍｉｍｉｃｓ优化后的体网格，不

7、但减少了有限元形变求解计算量，同时较精确地描述了血－－Ｉ微创虚拟手术中的血管建模与碰撞检测算法研宄－－ＤＯＰ管的形变模型Ｋｓ混，提高了碰撞检测。采用ＡＡＢＢ合包围盒有效地减少了计算量速率。这为建立高临场感的微创虚拟手术系统奠定了坚实的基础。关键词：徵创虚拟血管手术；血管三维重建；有限元算法；混合层次包围盒；碰撞检测－ｎ－大连理工大学硕士学位论文Ｏｎｔ