虚拟手术中软组织撕裂与流血模型的研究
发布时间：2023-08-14 19:54
虚拟手术仿真系统是虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)在医学领域的应用,相比于传统培养外科医生的方法,虚拟手术具有低成本、高效率、不受时间和空间限制等优点。虚拟手术仿真系统通过计算机技术建立一个与真实手术场景相同的虚拟环境,在这个环境下,医生可以制定和完善术前方案、规划术中路径、培养手术技能,练习真实手术过程中的挤压、拉伸、切割、摘除等操作,还能对术中流血做抽吸处理。目前虚拟手术的研究已经引起了国内外学者的广泛关注和重视,不同类型的系统和功能模块日渐完善,但是由于撕裂模块与流血模块对实时性和逼真度要求较高,在真实手术中,软组织的撕裂与流血往往是伴随发生,撕裂的位置和血管的破坏直接影响流血的状态,然而差异较大的物理模型导致两个模块的连接难以实现。针对以上问题,本文提出了改进的撕裂与流血模型,以肝脏组织的切割仿真为例,同时提高视觉和触觉的逼真度,实现两模块在虚拟手术仿真系统中的结合,增强用户的沉浸感,主要完成的研究工作如下:建立能够准确表达软组织内部结构的三维模型。针对基于面绘制的重建方法存在的内部信息缺失问题,提出基于改进光线投射算法的软组织三维重建,从真实病人的CT/M...
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 虚拟手术仿真系统的背景
1.1.2 选题的研究意义
1.2 虚拟手术的研究综述
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 虚拟手术存在问题
1.4 主要研究内容与论文组织结构
2 虚拟软组织的三维重建
2.1 软组织重建的概述
2.1.1 引言
2.1.2 绘制算法的介绍与分析
2.1.3 软组织重建问题与改进
2.2 基于体绘制的三维重建
2.2.1 体素与体纹理
2.2.2 光线投射算法的原理与应用
2.3 改进光线投射算法重建软组织模型
2.4 三维重建的仿真结果与分析
2.5 本章小结
3 基于改进几何模型和无网格法的撕裂模型
3.1 撕裂模型的概述及问题分析
3.1.1 引言
3.1.2 现有切割仿真技术探讨
3.1.3 切割仿真问题与改进
3.2 改进切口边界
3.2.1 Bézier曲线的计算
3.2.2 基于Bézier曲线的切口边界优化
3.3 基于体绘制的切割仿真
3.4 虚拟软组织物理模型的研究
3.4.1 基于无网格法的物理模型
3.4.2 多维参数在触觉反馈中的应用
3.5 切割仿真的结果与分析
3.6 本章小结
4 流血仿真物理模型的研究
4.1 流血仿真物理模型概述
4.1.1 引言
4.1.2 经典流体建模方法及其对比分析
4.1.3 流血仿真物理模型问题与改进
4.2 基于Navier-Stokes(N-S)方程的物理模型
4.2.1 Navier-Stokes(N-S)方程的基本原理
4.2.2 欧拉法求解N-S方程
4.2.3 拉格朗日法求解N-S方程
4.3 改进N-S方程的求解过程
4.4 流血仿真的算法实现和结果分析
4.4.1 流血仿真的算法实现
4.4.2 流血仿真的结果分析
4.5 本章小结
5 血液流动与喷涌仿真的绘制算法研究
5.1 流血仿真的渲染技术探讨
5.1.1 光线追踪算法
5.1.2 屏幕域抛雪球算法
5.1.3 Marching Cubes算法
5.1.4 流血仿真绘制算法问题与改进
5.2 基于改进Marching Cubes算法的流血仿真
5.2.1 基于Marching Cubes算法的表面重建
5.2.2 改进Marching Cubes算法的应用与实现
5.3 基于MDR算法的流血仿真
5.3.1 通过粒子追踪流血表面
5.3.2 基于MDR算法的人机交互
5.3.3 光照模型
5.4 试验结果及其分析
5.5 本章小结
6 撕裂与流血模块在虚拟手术系统中的应用
6.1 引言
6.2 虚拟手术仿真系统
6.2.1 系统模块的介绍
6.2.2 手术器械的表示
6.3 软组织撕裂与流血模块的结合
6.4 本章小结
7 结论与展望
7.1 结论与创新成果
7.2 工作展望
参考文献
附录 :虚拟手术仿真系统硬件平台
作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
一、作者个人简历
二、发表论文情况
三、参与科研项目
四、主要获奖情况
学位论文数据集
本文编号：3841959
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 虚拟手术仿真系统的背景
1.1.2 选题的研究意义
1.2 虚拟手术的研究综述
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 虚拟手术存在问题
1.4 主要研究内容与论文组织结构
2 虚拟软组织的三维重建
2.1 软组织重建的概述
2.1.1 引言
2.1.2 绘制算法的介绍与分析
2.1.3 软组织重建问题与改进
2.2 基于体绘制的三维重建
2.2.1 体素与体纹理
2.2.2 光线投射算法的原理与应用
2.3 改进光线投射算法重建软组织模型
2.4 三维重建的仿真结果与分析
2.5 本章小结
3 基于改进几何模型和无网格法的撕裂模型
3.1 撕裂模型的概述及问题分析
3.1.1 引言
3.1.2 现有切割仿真技术探讨
3.1.3 切割仿真问题与改进
3.2 改进切口边界
3.2.1 Bézier曲线的计算
3.2.2 基于Bézier曲线的切口边界优化
3.3 基于体绘制的切割仿真
3.4 虚拟软组织物理模型的研究
3.4.1 基于无网格法的物理模型
3.4.2 多维参数在触觉反馈中的应用
3.5 切割仿真的结果与分析
3.6 本章小结
4 流血仿真物理模型的研究
4.1 流血仿真物理模型概述
4.1.1 引言
4.1.2 经典流体建模方法及其对比分析
4.1.3 流血仿真物理模型问题与改进
4.2 基于Navier-Stokes(N-S)方程的物理模型
4.2.1 Navier-Stokes(N-S)方程的基本原理
4.2.2 欧拉法求解N-S方程
4.2.3 拉格朗日法求解N-S方程
4.3 改进N-S方程的求解过程
4.4 流血仿真的算法实现和结果分析
4.4.1 流血仿真的算法实现
4.4.2 流血仿真的结果分析
4.5 本章小结
5 血液流动与喷涌仿真的绘制算法研究
5.1 流血仿真的渲染技术探讨
5.1.1 光线追踪算法
5.1.2 屏幕域抛雪球算法
5.1.3 Marching Cubes算法
5.1.4 流血仿真绘制算法问题与改进
5.2 基于改进Marching Cubes算法的流血仿真
5.2.1 基于Marching Cubes算法的表面重建
5.2.2 改进Marching Cubes算法的应用与实现
5.3 基于MDR算法的流血仿真
5.3.1 通过粒子追踪流血表面
5.3.2 基于MDR算法的人机交互
5.3.3 光照模型
5.4 试验结果及其分析
5.5 本章小结
6 撕裂与流血模块在虚拟手术系统中的应用
6.1 引言
6.2 虚拟手术仿真系统
6.2.1 系统模块的介绍
6.2.2 手术器械的表示
6.3 软组织撕裂与流血模块的结合
6.4 本章小结
7 结论与展望
7.1 结论与创新成果
7.2 工作展望
参考文献
附录 :虚拟手术仿真系统硬件平台
作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
一、作者个人简历
二、发表论文情况
三、参与科研项目
四、主要获奖情况
学位论文数据集
本文编号：3841959
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3841959.html