心脏软组织运动3D建模与可视化研究

摘要

虚拟现实技术的逐渐成熟使其在各个领域中发挥出越来越大的作用，在医学领域中更多的研究者开始专注于虚拟手术仿真系统的研究。一直以来，真实度与实时性一直是虚拟手术技术的重要研究内容，其中生物组织的建模仿真是虚拟手术系统中的核心环节，很大程度上决定了虚拟系统的性能。因此，本文从软组织建模相关的几何方法、物理方法和基于GPU的虚拟仿真三个方面进行了研究。 一、在常用几何建模方法的研究基础上，运用Bezier方法进行了软组织几何建模，并结合Bezier方法在软组织建模领域的不足进行了优化。首先，通过重新参数化解决Bezier方法中重复反向计算控制点问题，提高了计算速度。之后提出基于先验信息的基曲面叠加方法，使形变模型即具有Bezier方法平滑连续的优点，又具有对局部不规则形变表面的拟合能力，最后，对几何建模的相关优化过程进行了实验验证。 二、通过对常见物理建模相关方法的研究与分析，本文运用质点弹簧模型实现心脏软组织表面的物理建模，并结合生物组织的生物特性，对经典质点弹簧模型进行了优化。首先，通过对质点弹簧模型拓扑结构优化提高其对软组织各向异性的拟合能力，之后，通过弹性系数的参数动态化使质点弹簧模型具备了更广泛的非线性拟合能力，最后，在虚拟体弹簧的基础上进行弹性系数的二次建模，使模型可以根据虚拟体弹簧伸长量拟合生物组织的蠕变和松弛特性。上述优化提高了质点弹簧模型对生物组织物理建模问题的适应能力，并进行了相关数学推导和实验验证。 三、在本文几何建模和物理建模的理论成果上，应用GPU加速技术和相关三维图形渲染技术，在VS2012为编译环境下，结合OpenGL三维图形库，利用C++和GLSL语言实现了可交互的心脏软组织动态几何及物理建模，并对其可用性和实用性进行了优化。

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第一章 绪论

1.1研究工作的背景与意义

1.2国内外研究现状

1.2.1几何建模研究现状

1.2.2物理建模研究现状

1.2.3基于GPU的虚拟手术系统研究现状

1.3.1主要研究内容

1.3.2章节安排

第二章 基于Bezier曲面的软组织表面几何建模研究

2.1Bezier曲线与Bezier曲面

2.1.1Bezier曲线

2.1.2Bezier曲面

2.1.3Bezier方法的不足

2.2Bezier曲面建模的重新参数化

2.3基于先验信息的基曲面叠加

2.4.1实验仿真说明

2.4.2实验过程

2.4.3实验分析

2.5本章小结

第三章 基于质点弹簧模型的软组织表面物理建模研究

3.1软组织生物力学特性

3.2质点弹簧模型基础

3.2.1动力学方程

3.2.2拓扑结构

3.3质点弹簧模型的各向异性优化

3.4基于参数动态化的非线性关系拟合

3.5基于虚拟体弹簧的粘弹性控制

3.5.1虚拟体弹簧原理

3.5.2对虚拟体弹簧参数的重新映射

3.6物理建模的计算过程

3.7.1实验说明

3.7.2实验过程

3.7.3实验分析

3.8本章小结

第四章 基于GPU的心脏软组织表面仿真系统的

4.1.1GPU发展

4.1.2GPU加速计算

4.2软组织表面仿真系统的整体设计

4.3三维图形显示技术

4.3.1OpenGL渲染管线

4.3.2仿真系统的图形渲染流程

4.4仿真系统的实现

4.4.1功能分块及函数封装

4.4.2图形界面

4.4.3辅助功能

4.4.4简单模型操作

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2后续工作展望

致谢

参考文献