应用于移动平台的肝脏建模与形变仿真方法研究

《应用于移动平台的肝脏建模与形变仿真方法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、应用于移动平台的肝脏建模与形变仿真方法研究张敏捷2015年1月中图分类号：TP391.9UDC分类号：004.5应用于移动平台的肝脏建模与形变仿真方法研究作者姓名张敏捷学院名称光电学院指导教师杨健副教授答辩委员会主席郝爱民教授申请学位工学硕士学科专业光学工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月ResearchontheLiverModelingandDeformationSimulationonMobilePlatformCandidateName：MinjieZhangSchoolorDepartment:Op

2、to-electronicSchoolFacultyMentor:AssociateProf.JianYangChair,ThesisCommittee：Prof.AiminHaoDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：OpticalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，

3、文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要虚拟手术技术在教育教学以及手术训练等领域具有重要的实用价值。随着医疗设备向小型化的方向发展以及智能移动平台的普及，将两者的优势结合，构建基于移动平台的虚拟手术系统具有广阔的发展前景。虚拟手术技术的核心是器官组织的精确建模以及柔性形变的精确模拟。如何从CT图像中准确地分

4、割出器官组织依然是目前医学影像分析领域研究的热点和难点；另外，由于移动平台计算能力有限，图形绘制与渲染的效率较低，如何实现轻量化的碰撞检测和柔性形变仿真依然有诸多亟待解决的问题。本文在分析虚拟手术关键技术的基础上，重点研究了肝脏的分割建模方法、移动平台下的碰撞检测方法以及器官的柔性形变仿真方法。提出了一种基于三维形变模型的肝脏分割算法，将梯度信息、Gabor信息以及气球力引入形变模型外力的计算过程，驱动初始模型向肝脏边缘进行迭代逼近从而实现对肝脏的分割。通过射线投射法和包围盒树优化方法实现对虚拟手术器械与肝脏的碰撞检测。基于质

5、点-弹簧模型实现对器官柔性形变的仿真，在移动平台下实现了肝脏和虚拟手术器械交互反馈系统的应用程序开发。本文主要研究内容包括：（1）实现了肝脏的分割建模。构建了形变模型的内外力，通过图像的梯度信息、Gabor信息和气球力构建形变模型的外力，基于待分割器官的连续性和平滑性构建形变模型的内力。以肝脏图像预处理获取的肝脏边界作为模型的初始轮廓，在形变模型内外力的作用下驱动模型逼近肝脏边缘从而实现对肝脏的分割与建模。（2）提出了应用于移动平台的碰撞检测方法。建立了虚拟器械的运动模型，定义了虚拟运动的参数描述方法。将虚拟手术器械的接触点简

6、化为单一虚拟质点，使用射线投射法判定实现对虚拟质点与模型的碰撞检测，同时使用包围盒树优化方法实现对任意曲面模型间的结构判定和碰撞检测。（3）实现了移动平台下的肝脏形变仿真。使用质点-弹簧模型构建肝脏的形变场，对模型形变区域的范围和扩展速度进行优化，减少了参与形变计算的元素数目，提高了形变模型的效率。完成了移动平台下肝脏模型的三维渲染、碰撞检测以及柔性形变仿真。设计了肝脏形变交互的软件系统，通过蓝牙通信实现了该仿真系统与现有触觉反馈硬件系统的集成。关键词：虚拟手术；移动平台；分割；碰撞检测；柔性形变IAbstractThetec

7、hnologyofthevirtualsurgeryhasbeenwidelyusedinthefieldofeducationandoperationtraining.Withthedevelopmentofminiaturizationofthemedicalequipmentandthepopularizationofthesmartmobileplatform,thereisabroadprospectforavirtualsurgerysystemappliedtothemobileplatform.Thekeyte

8、chnologyofthevirtualsurgeryistheprecisemodelingfororgansandtheaccuratesimulationforflexibledeformation.TheorgansegmentationofCTimagesissti