虚拟手术中基于质点弹簧建模及其切割技术研究

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1、硕士学位论文MASTERDISSERTATION论文题目虚拟手术中基于质点弹簧建模及其切割技术研究作者姓名胡序一学位类别工程硕士指导教师陈颖副教授2015年5月中图分类号：TP319.9学校代码：10216UDC：520.60密级：公开工程硕士学位论文(应用研究型)虚拟手术中基于质点弹簧建模及其切割技术研究硕士研究生：胡序一导师：陈颖副教授副导师：杨兴旺工程师申请学位：工程硕士工程领域：仪器仪表工程所属学院：电气工程学院答辩日期：2015年5月授予学位单位：燕山大学ADissertationinInstrumentandMeterEngineeringTECHNOLOGYRES

2、EARCHOFCREATINGMASS-SPRINGMODELANDCUTTINGINVIRTUALSURGERYbyHuXuyiSupervisor:AssociateProfessorChenYingYanshanUniversityMay,2015燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《虚拟手术中基于质点弹簧建模及其切割技术研究》，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结

3、果将完全由本人承担。作者签字：日期：年月日燕山大学硕士学位论文使用授权书《虚拟手术中基于质点弹簧建模及其切割技术研究》系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：日期：年月日导师签

4、名：日期：年月日摘要摘要随着科学技术的发展，虚拟现实技术得到了越来越多的实际应用。在医疗应用方面，通过采用计算机及其它设备的结合的虚拟手术系统进行虚拟手术仿真不仅可以减少手术训练成本，而且在降低手术风险、培养医疗人才等方面发挥着广泛的作用。本文从虚拟手术系统软组织建模与重建出发，以微创虚拟手术中人体软组织为研究对象，针对形状模型的建立、形变以及切割仿真等方面展开深入的研究，主要工作如下：首先，分析了现存各种几何及物理模型建模方法的优劣，比较其各自优缺点，为建模奠定基础。针对几何模型建立时图像分割效率较低，精度不高的问题，提出了利用Amira软件采用自动分割同手动分割相结合，自动

5、分割继承手动分割细节信息的方式，得到真实度较高的人体软组织几何模型。针对质点弹簧模型数学基础，分析了形变的数学过程，建立符合程序设计要求的数据结构。其次，针对质点弹簧模型参数确定的随意性问题，提出了利用遗传算法确定质点弹簧模型参数的方法。采用遗传算法，利用模拟形变同参考形变间差异大小作为适应度函数求得模型参数的近似最优解，得到准确复现实际形变效果的质点弹簧形变模型。最后，对虚拟手术切割方面进行研究，提出四叉树与深度检测结合的切割起点搜索方法；利用模型单元重心间距表达的邻域信息建立索引搜索所有切割单元；以切割轨迹为基础，依据网格密度匹配进行伤口路径获取，针对获取的路径点采用区域向

6、量加权完成伤口扩张实现整个切割操作过程，实现了较高仿真程度的伤口切割效果。关键词：虚拟手术；质点弹簧；遗传算法；伤口切割V燕山大学工学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology,virtualrealitytechnologyhasbeenanincreasingnumberofpracticalapplications.Inmedicalapplications,throughtheuseofvirtualsurgerysystemcombinescomputerandotherequipmentvirtual

7、surgerysimulationtrainingcannotonlyreducethecostofthesurgery,butalsoinreducingtheriskofsurgery,trainingofmedicalpersonnelandotheraspectsplayabroaderrole.Fromthevirtualsurgerysystemmodelingandreconstructionofsofttissuestartingtominimallyinvasivesurg