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虚拟手术中软组织形变建模及力反馈算法研究
基于弹簧-质点模型,建立一种改进的软组织实时形变模型.在正六边形拓扑结构软组织表面模型中,增加了虚拟体弹簧,以实现更加真实的形变效果.在系统中各质点处,表面弹簧形变量的叠加等效为物体表面形变,各质点处虚拟弹簧弹性力的合力等效为物体表面的接触力.该模型继承了经典弹簧质点模型的原理简单、易建模、计算速度快等优点,同时还具有控制变形区域的能力.基于此模型,利用PHANTOM触觉交互设备,进行了软组织形变以及实时虚拟力反馈仿真实验.实验表明,该模型效果逼真,反馈力刷新一次小于l ms,能够满足虚拟手术系统实时性的要求.
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质量-弹簧模型的两种快速算法
介绍质量-弹簧模型的准静态模拟和直接计算两种快速算法.准静态模拟假设物体在形变过程中总处于静态平衡;直接计算方法是计算小化系统势能的优解,同时也考虑了组织的不可压缩性.实验结果表明,与常规数值迭代算法相比,这两种算法的运算速度快而且鲁棒性好.
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软组织形变建模在虚拟手术中的应用进展
虚拟现实(virtual reality,VR)技术通过其独具的沉浸感、交互性以及想象性,在医学领域正发挥着越来越重要的作用.基于VR技术的虚拟手术系统在颅颌面畸形的诊断、治疗及操作培训中能够为手术医师提供身临其境的逼真感,利用该技术可以进行术前设计、术后预测,制定个体化佳治疗方案.在过去几十年内,世界范围内已经开发出基于虚拟现实技术的数个手术模拟系统,涵盖颅颌面整形、眼外科、神经外科、膝关节外科、腹腔镜外科等众多领域.但对于虚拟手术系统的核心—软组织的形变建模,一直是国内外学者研究的难题.本文就基于虚拟现实技术的常用的软组织建模方法的研究进展作一综述.
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虚拟手术系统中的软组织切割模拟
本研究提出了一个基于有限元形变计算的利用小子集法进行切割模拟的优化方法,该方法解决了切割过程中刚度矩阵不断扩充更新对形变计算带来的影响,便于进行切割模拟.实验结果表明,该方法能够有效地动态模拟软组织的整个切割过程.
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软组织建模中的有限元模型
用求解弹性力学问题的经典方法-有限元方法进行物理建模,并根据人体软组织的生物力学特性,对有限元模型进行修改.实验结果表明:修改后的有限元模型在形变逼真的情况下稳定性更强.
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大脑组织分层体网格建立及变形技术研究
虚拟手术系统在辅助医生合理制定术前方案以提高手术成功率方面有重要意义.虚拟手术系统主要南医学数据可视化与建模和人体组织器官(主要是软组织)受力形变仿真两部分构成.针对大脑的复杂结构,本文采用混合水平集并结合阈值分割及形态学方法,可有效地将大脑磁共振图像分割成头部轮廓、灰质、白质、脑脊液和脑室五部分,并利用课题组开发的基于约束的Delaunay算法及iso2mesh等开源工具包,建立了脑组织的四面体网格,并对各部分组织对应的网格分别进行标记.后利用得到的具有真实解剖结构的有限元网格,对软组织的形变进行了研究,建立了基于Tensor- Mass模型的点触和球触变形模拟.本文的研究可进一步提高大脑虚拟手术的定位精度和反映大脑组织形变的过程.
关键词： 图像分割 体网格 Delaunay 软组织形变 Tensor-Mass -
虚拟手术中基于遗传算法的质点弹簧模型参数确定
质点弹簧模型是虚拟手术中常用模型之一,但由于其模型参数无明确物理意义,参数设定上存在诸多不便.由此提出基于遗传算法确定质点弹簧模型参数的方法.采用计算机辅助断层扫描数据(CAT data)确定质点质量值;弹簧弹性系数及阻尼系数通过遗传算法计算获得;并利用参考形变同模拟形变间差异大小作为适应度函数求得模型参数近似优解.实验结果证明该方法能在较低计算成本的前提下获得弹簧参数的近似优解,能够使虚拟模型较准确地再现实际模型形变效果.
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基于改进弹簧-质点模型的形变建模及力反馈算法研究
基于弹簧-质点模型的基础上提出一种新的可变菱形拓扑结构模型,通过改变菱形边弹簧的长度及弹簧系数、初始夹角,可实现该模型对不同器官的形变模拟.此外在模型中加入虚拟弹簧提供约束力,避免外力过大出现超弹性现象,并用于形变过程中反馈力的计算.在力反馈形变算法中,筛选有效的移动质点,并把这些移动质点形成区域面积的改变与作用力联系起来,计算量小,从而简化了传统的弹簧-质点模型的力反馈算法.基于此模型采用PHANTOM触觉交互设备进行受力形变模拟实验.实验结果表明,该模型结构简单易于实现,采用的力反馈形变算法,降低了形变计算的次数,提高了形变的实时性,具有更逼真的形变效果.
