面向支撑喉镜下声带手术的虚拟仿真系统

创建了一套具有力感觉的面向支撑喉镜声带手术的虚拟仿真系统,模拟了实际手术中的狭长操作环境,建立了声带、喉镜和手术工具的几何模型。在进一步构建声带物理模型和计算模型的基础上,仿真了声带在虚拟手术工具作用下的粘弹性变形过程,并通过碰撞检测模块的建立,实现了虚拟工具之间"体与体"的碰撞检测。     

一种支持触觉反馈的膜组织变形仿真方法

针对一类面模型的软组织变形触觉仿真问题,提出了一种基于半边数据结构和AABBs（Aligned Axis Bounding Boxes）树结构混合的碰撞检测响应方法,命名为层次半边观察法,以适应触觉反馈计算的高帧率要求。触觉反馈仿真了膜组织的粘弹性力和粘滞性摩擦效果。粘滞性摩擦由修改的滞滑摩擦模型实现。膜组织的变形基于简单的质点弹簧模型建模。实验表明,提出的方法与单一的使用AABBs树结构方法相比,具有较高效率。记录的力反馈曲线清晰的反映了膜组织的粘滞性摩擦特征。该方法将是建立白内障虚拟手术仿真器的基础。     

虚拟手术中基于Tensor-Mass的变形仿真技术

详细论述并实现了虚拟手术中软组织变形仿真技术.虚拟软组织由四面体网格构成,生物力学模型使用Tensor-Mass模型.推导了一种半隐式数值积分算法用以求解软组织变形的动力学方程.该方法比传统的显式积分算法更稳定,并可将积分时间步长提高一个数量级.使用了基于拓扑距离的方法进一步减少数值积分算法的计算量.最后给出使用肝脏模型进行变形仿真的结果.     

手术模拟中软组织变形的实时有限元新算法

提出了一种模拟软组织变形的实时有限元新算法。该算法成功地扩展了实时有限元法，这能够处理手术中经常发生的软组织非线性变形和拓扑变化，从而为手术模拟提供了更好的物理真上分手术区域和非手术区域，在其中分别采用不同的有限元模型，同时利用预处理方法，使混合模型的有限元方程的阶数大数降低，，以至可做时处理。本文给出该算法二维情况下的应实用例，验玉的算法的有效性。     

一种用于软组织变形仿真的动态质点弹簧模型

针对可以用面模型近似表示的软组织，提出一种俺单可靠的软组织变表仿真的质点弹簧建模方法，虚拟体弹簧动态地产生一种约束力表现软体的体特征，准静态方法求解模型使仿真效果更好；用修改的蝶形细分方法把比较粗糙的表面网格模型先细分成若干细节层次，仿真时依质点所受力的大小动态细分，以提高模型仿真的精确度，实验表明：所提出的方法确实增强了软组织变形仿真的体积感；局部动态细分模型与粗网格模型的计算量相差甚少，但其计算精度却提高多倍。     

油气弹簧阻力特性计算机仿真

给出了油气弹簧缝隙节流原理图,通过节流阀片力学模型建立了节流阀片弯曲变形微分方程,对节流阀片弯曲变形进行了研究,创建了弯曲变形系数和弯曲变形解析计算式。对油气弹簧节流阀片的弯曲变形量、节流缝隙、节流缝隙增量进行了研究,建立了缝隙增量与速度间的关系方程。通过建立特性仿真分段数学模型,对油气弹簧阻力特性进行了计算机仿真,最后对所设计的油气弹簧进行了阻力特性试验。通过试验可知,所研究的油气弹簧阻力特性计算机仿真模型和方法是正确的,对油气弹簧的优化设计、特性分析都具有重要的参考价值。     

虚拟环境下变形线性体实时建模算法研究

研究提出一套虚拟环境下线绳和缆索两类变形线性体的几何变形数学建模算法。首先将变形线性体的物理和几何特性,对它们建模的共同之处进行研究,采用微分几何方法在正交直角坐标系下描述其变形,选择样条函数描述线性体的中心线,提出描述扭转变形的一种简单方法,结合广义弹簧理论建立它们的变形能数学模型,应用材料力学理论设计参数,并采用能量极小化方法求解;其次分别针对线绳和缆索的特性修改共性模型,形成各自的建模算法;第三通过仿真模型与实际变形线性体的对比实验验证仿真算法的正确性。实验结果表明,该算法能够正确描绘线绳和缆索变形,并能够满足虚拟环境的实时交互帧频率。     

基于ADAMS.LifeMOD的人体头颈部动力学仿真与验证

基于多刚体动力学软件ADAMS和生物力学仿真软件LifeMOD,建立了一个人体头颈部三维多刚体动力学模型。该模型包括颅骨、颈椎骨、肩胛骨、躯干上段以及体现粘弹性性质的肌肉组织。采用美国海军力学实验室的前碰撞志愿者实验数据对模型进行了验证。验证结果表明,该模型具有很好的可信度,可以用来研究在碰撞条件下头颈部的动力学响应特性。     

基于有限元法人体腿部生物力学仿真研究

为了建立可用于手术预演和规划的可靠的虚拟生物组织力学模型进行人体腿部生物力学仿真研究,根据关键组织的三维重建结果,采用有限元方法自下到上的建立骨骼、皮肤和部分软组织的生物力学模型.针对CT图像无法精确重建肌肉的几何模型的问题,在充分考虑肌腱的生物力学特性,又体现肌纤维的微观解剖结构的基础上,提出一种新型的肌肉建模方法.最后,通过患者手术获得的力位数据与有限元仿真数据的对比分析,证明建立的人体生物力学模型的可信性.     

高保真电视胸腔镜肺叶切除术模拟

电视胸腔镜(VATS, Video-assisted thoracoscopic surgery)肺叶切除术仿真系统对外科医生手术培训及规划具有重要价值。为实现高保真电视胸腔镜肺叶切除术的模拟,设计了一套有效模拟VATS手术过程中不同手术操作的肺叶切除术模拟器。采用基于位置的动力学仿真框架实现了手术器械-软组织和软组织间交互作用、软组织切割以及手术缝合操作引起的变形模拟;并采用了Marching Cubes算法对模型进行面绘制,尤其是切割操作的渲染;使用GPU并行计算的方法加速手术模拟和面绘制。实验结果表明,本文方法可实现高保真、稳定、高效的VATS手术仿真效果。     

一种基于OpenHaptic的软组织有限元形变模型

OpenHaptic是基于PhanToM设备的力反馈模拟编程环境,与原来常用的GHOST SDK编程环境相比有着不可替代的优势;因此,在OpenHaptic环境下进行力反馈相关研究具有十分重要的意义。充分探究了采用OpenHaptic进行空间力反馈模拟的实现方法,在分析现有软组织形变模拟方法的基础上,根据软组织形变模拟对真实感与实时性的要求,建立了一种基于有限元计算模型的形变处理方法。实验结果表明软组织有限元形变模型在OpenHaptic环境下完全满足软组织形变模拟的真实感与实时性要求。较早地探究基于OpenHaptic环境的虚拟手术相关实现技术并做出相应的研究成果对于基于OpenHaptic环境的虚拟手术相关研究具有重要的参考价值。     

用于触觉建模的生物组织切割特征多参量采集

基于图像及三维磁跟踪的方法，设计了生物组织切割过程的多参量（切割力，切割深度及切割速度）采集系统，并针对猪肝脏，心脏，肌肉等软组织进行了系统性能的实验验证；研究了手术刀在切割不同组织时，切割速度，切割深度等与切割反馈力，破裂极限间的相互关系，并初步给出了手术刀连续切割的力反馈触觉模型；为进一步研究生物组织的物理特性及基于真实的切割过程的手术模拟提供了实验条件。     

虚拟手术中基于最少单元分裂的切割仿真技术

详细论述了虚拟手术中切割仿真技术的实现.虚拟软组织模型由四面体网格构成,四面体分裂算法使用了最少单元分裂法.为了提高算法效率,设计了由顶点、边、面和四面体4种基本单元构成,并且具有相关指针的软组织模型数据结构.详细阐述了最少单元分裂法中每种分裂类型的具体实现,以及解决内部分裂不一致问题的方法.碰撞检测使用了基于空间一致性原则的邻域搜索法.最后给出了使用肝脏模型进行切割仿真的结果.     

基于主动形变模型的医学序列图像的分割

对主动形变模型(active shape model)方法进行了改进,将其用于CT序列图像的分割,实现了对一些边缘不清晰的软组织的分割。一个组织在CT序列图像中其形状变化往往是连续的,据此,我们先在序列图像中按顺序每间隔几幅抽取一幅图像,用其他方法分割好;然后对分割结果使用主成分分析方法(Principle Component Analysis)计算其形变特征,生成可变形轮廓模板;再用这个模板去变形、配准、分割其他图像,从而达到一个比较理想的分割结果。     

虚拟手术仿真中碰撞检测问题的研究

虚拟手术仿真是虚拟现实技术医学领域的一个重要应用，快速精确的碰撞检测是虚拟手术仿真的基础。现有的碰撞检测方法虚拟手术仿真中人体组织模型变形和拓朴结构变化等问题，本文给出了一种基于固定方向凸包包围盒的碰撞检测方法，它不仅在速度上较以往的方法有一定的提高，而且能有效地解决虚拟手术仿真中出现的各种新问题。