虚拟针刺手术软组织形变建模与力反馈算法研究

摘要

随着虚拟现实技术的发展，其在医疗领域的应用越来越广泛。虚拟现实利用计算机图形学构造出虚拟的软组织形变模型，在与虚拟模型进行交互中加入触觉交互设备使其具有临场感。仿真系统在视觉和触觉上为操作者提供真实再现，使得操作者有很强的临场感和沉浸感。因为引入了触觉反馈，在针刺手术训练时，医生可以通过视觉观察软组织形变的同时，也可以感受到针刺的力度，如同真实操作的感觉一样，这样的虚拟训练系统可以大大提高医生的训练水平和速度，尤其是对针刺手术这样需要大量训练才能掌握的技能。
　　在保证形变仿真的实时性与精度的前提下，并且以真实人体表皮软组织的力学特性为原始数据，选择了基于表面模型的质点-弹簧模型。为了虚拟软组织模型在交互过程中有体的信息，在原来表面模型中增加了虚拟体弹簧，使得虚拟软组织在形变时能够更加的真实与逼真，并且这样做满足交互系统对稳定性的要求。
　　在模型运动学求解方面，选择了实时性较其他数值积分法要好的中点法作为本文模型形变算法。本文软组织实时形变和力反馈算法是以弹簧-阻尼器为基础建立的。软组织形变过程的总形变量是由虚拟弹簧形变叠加表现的，反馈力是受力质点处虚拟弹簧形变产生的合力。以该模型为基础的形变算法实时性好，可以满足虚拟交互的要求。
　　交互系统在交互时要求能够提供视觉和触觉信息，为了保证真实性，二者必须要保持同步，这样才能给操作者带来沉浸感和临场感。本文利用OpenGL(Open Graphics Library)三维图形库在视觉上对软组织模型进行绘制渲染，通过显示器提供视觉信息;并利用OPenHaptics软件包对虚拟软组织进行力觉的渲染，最后使用Phantom Desktop对虚拟软组织进行针刺操作。通过实验仿真结果验证了系统在保证一定精度前提下能够满足操作的实时性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 虚拟针刺手术仿真系统

1．2．1 虚拟针刺手术仿真系统的用途

1．2．2 虚拟针刺手术仿真系统的关键技术

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文研究内容及组织结构

第二章 软组织形变建模方法及算法分析

2．1 软组织的生物力学特性

2．2 软组织的建模方法

2．2．1 有限元法

2．2．2 质点-弹簧法

2．2．3 边界元法

2．2．4 几种建模方法的比较

2．3 基于质点-弹簧模型的拓扑结构

2．4 质点-弹簧模型的动力学方程

2．4．1 基于质点-弹簧模型方程的推导

2．4．2 模型方程的数值解法

2．5 本章小结

第三章 软组织模型的渲染

3．1 软组织模型的数据来源

3．2 基于OpenGL的软组织视觉渲染

3．2．1 OpenGL简介

3．2．2 虚拟软组织几何模型的建立

3．2．3 软组织模型的视觉渲染

3．3 软组织模型的力觉渲染

3．3．1 力反馈模型的实现

3．3．2 力反馈的计算模型

3．3．3 基于OpenHaptics的力觉渲染

3．4 本章小结

第四章 虚拟针刺手术仿真系统结构

4．1 虚拟针刺手术仿真系统的搭建

4．2 系统硬件设备

4．2．1 计算部分

4．2．2 力反馈交互设备

4．3 系统软件部分

4．3．1 碰撞检测

4．3．2 软组织形变的计算分析

4．3．3 软组织形变力反馈的计算

4．4 交互过程的实现

4．5 本章小结

第五章 系统仿真与实验结果

5．1 仿真模型参数的选择

5．1．1 传播深度的控制

5．1．2 穿刺深度的控制

5．1．3 弹性系数的选取

5．2 系统视觉仿真实验结果及分析

5．3 实时交互过程的力反馈

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢