本文關鍵詞：虛擬手術中基于物理的血流真實感繪制方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：虛擬手術系統(tǒng)作為數(shù)字醫(yī)療研究的熱點之一,它為醫(yī)生提供了大量低成本的手術訓練,使他們可以熟練地掌握這類手術,從而提高了手術的成功率。血流真實感繪制是虛擬手術系統(tǒng)的重要技術之一,其伴隨著手術過程中的每一次切割而頻繁出現(xiàn)。血流真實感繪制的效果不僅會直接影響虛擬手術系統(tǒng)的真實感,而且能夠訓練醫(yī)生處理手術流血情況的能力。為了實現(xiàn)對血流的真實感繪制,本文首先研究軟組織切割現(xiàn)象的仿真,其可以作為血流初始化的依據(jù)和本系統(tǒng)與課題組其他模塊之間的接口；然后,對血流模擬進行數(shù)值計算；最后,對血流進行表面繪制,從而得到最終的仿真結果。本文的主要工作和研究成果如下：(1)對于軟組織切割現(xiàn)象的仿真,本文改進了頂點拆分算法,并將其應用于皮膚軟組織切割的仿真中。算法中使用兩條圓弧對切口的邊緣進行模擬,增加了切口的離散點個數(shù),使得切口形狀較改進前更加光滑,效果更加逼真。(2)對血液流變性質進行了研究,針對現(xiàn)有血流真實感繪制中采用的動力學模型精度較低的問題,將精確度更高的Casso n模型引入血流真實感繪制中,從而使得繪制結果更加符合真實的物理規(guī)律。(3)在血流數(shù)值計算中,針對光滑粒子流體動力學(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法對Casson模型的離散化中出現(xiàn)粘滯力項過于復雜的問題,本文提出了一種粘滯力項簡化處理方案,使用上一幀的表觀粘度的平均值作為當前幀的粘度值,從而使得Casson模型順利地離散化。另外,使用了近鄰搜索算法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全局搜索算法,從而縮小SPH方法中對作用域內粒子的搜索范圍,減少SPH方法的計算量,提高系統(tǒng)的實時性。(4)在血流表面繪制模塊中,為了降低計算量,本文提出了一種粒子分布規(guī)律化的預處理方法,使得分布不規(guī)律的粒子群轉化為規(guī)則的立方體頂點點陣。針對Marching Cubes算法中空體元過多導致算法效率降低的問題,提出了根據(jù)頂點點陣的密度將區(qū)域分割的算法,并在不同區(qū)域使用不同的算法進行表面繪制,從而提高了血流表面繪制的效率和真實感。最后,根據(jù)以上方法,本文設計并開發(fā)了一個血流仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供軟組織切割以及血流仿真的功能,具有較好的交互性和真實感。實驗結果表明,本文所采用的基于物理的血流真實感繪制方法所仿真得到的血流,真實感強,實時性好,對提高虛擬手術的真實感具有一定的意義,具有廣泛的應用前景。
【關鍵詞】：虛擬手術 軟組織切割 Casson模型 SPH 表面繪制
【學位授予單位】：福州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：R319;TP391.9
【目錄】：

• 中文摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 引言8-15
• 1.1 研究背景和意義8-9
• 1.2 國內外的研究與發(fā)展現(xiàn)狀9-12
• 1.2.1 虛擬手術系統(tǒng)9-10
• 1.2.2 血流真實感繪制10-12
• 1.3 論文主要工作12-13
• 1.4 論文結構安排13-15
• 第二章 軟組織切割現(xiàn)象的仿真15-30
• 2.1 引言15
• 2.2 軟組織切割現(xiàn)象的仿真15-26
• 2.2.1 軟組織切割技術研究現(xiàn)狀16-19
• 2.2.2 目前軟組織切割技術存在的問題19-20
• 2.2.3 本文所采用的方法20-26
• 2.3 實驗結果26-29
• 2.4 本章小結29-30
• 第三章 血液流動現(xiàn)象的數(shù)值計算30-59
• 3.1 引言30
• 3.2 血流動力學模型的構建30-36
• 3.2.1 流體力學基礎31-32
• 3.2.2 血液流變性質分析32-33
• 3.2.3 現(xiàn)有血流模擬中采用的流體動力學模型33
• 3.2.4 現(xiàn)有流體動力學模型存在的問題33-34
• 3.2.5 本文所采用的流體動力學模型34-36
• 3.3 血流模擬數(shù)值計算方法36-57
• 3.3.1 現(xiàn)有數(shù)值計算方法37-38
• 3.3.2 現(xiàn)有方法存在的問題38-39
• 3.3.3 本文所采用的方法39-44
• 3.3.4 Casson模型的離散形式44-48
• 3.3.5 血流模擬數(shù)值計算流程48-56
• 3.3.6 實驗結果56-57
• 3.4 本章小結57-59
• 第四章 血液流動現(xiàn)象的表面繪制59-72
• 4.1 引言59
• 4.2 粒子位置信息的預處理59-64
• 4.2.1 預處理算法介紹59-63
• 4.2.2 實驗結果及分析63-64
• 4.3 改進的Marching Cubes算法64-71
• 4.3.1 Marching Cubes算法64
• 4.3.2 Marching Cubes算法存在的問題64-65
• 4.3.3 本文所采用的方法65-69
• 4.3.4 實驗結果及分析69-71
• 4.4 本章小結71-72
• 第五章 系統(tǒng)的實現(xiàn)及成果展示72-85
• 5.1 引言72
• 5.2 原型系統(tǒng)實施平臺的搭建72-74
• 5.2.1 平臺介紹72-73
• 5.2.2 圖形庫的安裝73-74
• 5.3 原型系統(tǒng)界面實現(xiàn)74-76
• 5.4 原型系統(tǒng)的開發(fā)流程76
• 5.5 系統(tǒng)的主要模塊實現(xiàn)76-84
• 5.5.1 軟組織切割仿真模塊76-78
• 5.5.2 血流數(shù)值計算模塊78-83
• 5.5.3 血流表面繪制模塊83-84
• 5.6 本章小結84-85
• 結論85-87
• 1 本文主要工作總結85-86
• 2 本文創(chuàng)新點86
• 3 未來工作展望86-87
• 參考文獻87-91
• 致謝91-92
• 個人簡歷92
• 在學期間的研究成果以及發(fā)表的學術論文92

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  本文關鍵詞：虛擬手術中基于物理的血流真實感繪制方法研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：353455