虚拟手术软组织形变建模与碰撞检测技术研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文虚拟手术软组织形变建模与碰撞检测技术研究硕士研究生：梅新奎指导教师：郭书祥教授学科、专业：控制科学与工程论文主审人：王科俊教授哈尔滨工程大学2018年3月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文虚拟手术软组织形变建模与碰撞检测技术研究硕士研究生：梅新奎指导教师：郭书祥教授学位级别：工学硕士学科、专业：控制科学与工程所在单位：自动化学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofM.E

2、ngResearchonSoftTissueDeformationModelingandCollisionDetectioninVirtualSurgeryCandidate:XinKuiMeiSupervisor:Prof.ShuXiangGuoAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:ControlScienceandEngineeringDateofSubmission:1，2018DateofOralExamination:3，2018University:HarbinEngineeringU

3、niversity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

4、门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工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：年月日年月日虚拟手术软组织形变建模与碰撞检测技术研究摘要随着虚拟现实技术的高速发展，虚拟现实技术已经被应用于包括娱乐、军事、医疗、教育等在

5、内的众多领域，并均取得诸多成功。特别是在医疗领域，虚拟手术仿真系统已成为外科手术领域不可或缺的辅助工具。但是由于虚拟手术仿真系统功能模块多，涉及多学科交叉的前沿技术领域，研究难度与工作量巨大，部分功能模块还不健全，因此虚拟手术仿真系统各功能模块的研究具有重大意义，其中生物体软组织形变仿真模块是虚拟手术仿真系统中重要组成部分，因此，本文重点以生物体软组织形变仿真建模方法与碰撞检测技术作为研究内容，紧紧围绕如何提升生物体软组织形变的真实性与实时性展开深入的研究，主要工作如下：首先，论文对生物力学特性进行了分析，研究了能够体现出生物力学特性的弹簧模型，为接下来的生物体软组

6、织形变仿真模型构建方法奠定了理论基础。同时介绍了生物体软组织几何建模常用方法，通过比较之后，论文采用Amira软件构建生物体软组织几何模型。最后介绍了虚拟手术中的触觉力反馈技术以及基于弹簧-阻尼器反馈力计算方法，了解虚拟手术中触觉力反馈机制，进而有助于提升虚拟手术系统的可交互性、改善虚拟现实系统的真实性以及沉浸感。其次，论文提出了基于质点-弹簧与填充体模型结合的生物体软组织形变仿真模型构建算法，不仅解决了传统质点-弹簧易产生塌陷和失真的缺陷，同时大大减少了虚拟手术软体形变过程中的计算量，提升了生物体软组织形变过程的实时性，同时通过融入填充体模型，使虚拟手术中软体模型

7、更接近真正意义上的体模型概念，如果填充体模型趋于无限小，就基本可以模拟出人体生物体软组织器官的基本组织结构，该模型的形变过程就可以真实的反应出生物体软组织受外力而发生形变的过程。再次，论文提出了基于Sphere和AABB的混合层次包围盒碰撞检测方法，来完成生物体软组织形变仿真过程中的碰撞检测过程，在一定程度上弥补了单一类型包围盒在实时性与准确性不能兼顾的不足。同时文中采用软组织局部形变区域的混合层次包围盒树反向更新方法，提升了生物体软组织形变仿真过程中碰撞检测效率。论文最后根据所提出的相关理论，构建简易的虚拟手术仿真平台，且进行相应的仿真实验分析。仿真实验结果表