虚拟手术中软组织物理建模的优化及GPU并行加速

摘要

虚拟手术作为新兴的研究方向正在逐步发展起来，它是将生物力学、材料学、医学、计算机图形学、机械力学等诸多学科结合起来的一门新兴交叉学科。虚拟手术的目的是使用计算机（主要是计算机图形学与虚拟现实）来模拟、指导医学手术所涉及的各种过程。传统手术存在高风险，术后效果不理想等问题，而手术的效果受医生的个人业务水平影响，利用虚拟手术系统，医生则可以在术前进行手术演练，把通过成像设备获取的病人图像信息导入仿真系统，这样医生就可以根据虚拟手术对将要进行的真实手术步骤等作出相应的调整或修改，或者对手术进行较精确的前期测量和估算，从而预见手术的复杂性。作为虚拟手术的操作对象，人体器官模型的真实性与准确性直接影响了虚拟手术的可靠性，一个不受医生和病人信任的虚拟手术系统是没有存在价值的，因此可以说虚拟手术中软组织建模这部分是虚拟手术这个领域中尤为重要的部分。
　　本研究主要内容包括：⑴为了提高形变仿真的真实度，本文在前人带有体弹簧的质点弹簧的基础上，加入了弹簧的阻尼系数，将传统的质点弹簧进行了升级，使仿真能显示肝脏循序渐进的变化。⑵为了获得弹簧的弹性系数，我们做了真实肝脏软组织的穿刺实验，通过MATLAB的拟合仿真和后期的计算，我们获得了真实肝脏软组织的黏性系数，然后再根据公式转换为每根弹簧的弹性系数，并加入到质点弹簧系统中。⑶为了提高仿真的实时性，本文引入了GPU并行加速的方法，将原CPU的部分计算功能转移到GPU中，通过GPU的并行计算，提高了仿真效率，减小了仿真的时间，达到了虚拟手术对仿真实时性的要求。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的意义及背景

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 论文的章节安排

第2章 人体软组织的建模方法

2.1 概述

2.2 软组织生物力学特征

2.3 软组织建模中的物理建模方法

2.4 肝脏软组织物理模型的构建

2.5 改进的质点-弹簧模型

2.6 本章小结

第3章 质点-弹簧模型参数的获取

3.1 概述

3.2 质点质量的确定：基于重心修正的体积离散化

3.3 弹簧弹性系数的确定：分段线性化的弹性系数

3.4 弹簧阻尼系数的确定：真实肝脏穿刺实验

3.5 质点-弹簧模型在受力形变过程中中的受力分析

3.6 本章小结

第4章 GPU并行计算

4.1 GPU基本概念

4.2 CUDA软件开发环境

4.3 GPU加速计算

4.4 本章小结

第5章 验证实验与结果分析

5.1 可视化工具VTK

5.2 真实肝脏拉伸实验

5.3 基于VKT的形变仿真结果及分析

5.4 本章小结

第6章 总结和展望

6.1 总结

6.2 今后工作展望

参考文献

致谢

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