虚拟手术中的软组织变形仿真研究

虚拟手术中对生物体软组织变形仿真的研究一般采用线弹性物理模型。然而,生物软组织本身呈粘弹性的物理特性。本文通过对软组织生物力学特性的分析,将粘弹性模型应用于手术仿真中软组织变形的研究。在尽量减小算法复杂度的前提下,推导粘弹性模型的计算公式,较好地仿真了在外力作用下软组织的变形。     

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.     

基于软组织形变力学信息虚拟手术力反馈过程仿真

为了更好的实现对真实手术的力触觉模拟,利用质点弹簧模型建立了人体软组织的力学模型;应用四阶龙格库塔法解决了力学模型的计算问题;基于模块化设计思想完成了力反馈设备的设计;将力反馈设备通过ADAMS平台建模与力学算法程序相连接,实现了力学信息的传送过程和力反馈设备终端获取力学信息的模拟,该仿真对整个力反馈过程的进行实现了验证。仿真结果表明:力反馈设备可以实时获取力学信息。该项研究将虚拟现实与虚拟样机技术相结合,基于力反馈器虚拟设计实现力反馈过程的仿真模拟,为虚拟手术系统前期设计提供参考和设计依据。     

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。     

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。     

虚拟手术中具备触觉功能的软组织交互技术

研究了虚拟手术中用户通过触觉设备与软组织进行交互操作的技术.所用触觉设备为Phantom Desktop,交互操作包括切割、触摸和抓取.为了克服用户手的颤抖产生的触觉反馈力振荡,切割中的反馈力使用代理的方法计算,反馈力由刀锋阻力和刀面约束力构成.触摸和抓取操作使用作用球的方法,根据作用球的入侵体积来计算作用力和反馈力,并使用力和力矩等效原则将作用力分解成顶点等效力.最后给出了使用虚拟肝脏模型进行交互操作的效果.     

虚拟手术中缝合仿真的初步研究

初步实现了一个虚拟缝合仿真系统,可以模拟针穿刺柔性体并牵引所附缝合线穿过柔性体的过程。用户通过Phantom Desktop力反馈设备控制虚拟针的运动。柔性体在针和缝合线的作用下会发生变形。缝合线使用非均匀可变长刚性杆模型和FTL(Follow the Leader)变形算法。柔性体使用线弹性材料和Tensor-Mass变形算法。针穿刺柔性体时柔性体对针运动的阻力传给力反馈设备,而其反作用力则施加于柔性体之上。缝合线在针的牵引下穿过柔性体形成滑动约束点。缝合线的变形将在滑动约束点产生弹性力作用于柔性体之上,而柔性体的变形则反过来影响滑动约束点的位置。将约束点对应的缝合线顶点编号增加和约束点两侧刚性杆长度调整相结合,实现了缝合线光滑穿过柔性体的效果。最后给出对含有切口形状的柔性体模型进行缝合仿真的实验结果,并讨论未来的改进和发展方向。     

基于网络中心战概念的虚拟战场建模/仿真技术

信息技术的发展引发了军事领域的变革，演化出网络中心战这一新的战争思想与形态，信息技术本身(特别是建模／仿真技术)又为研究这一变革提供了有效的手段。首先简要阐明网络中心战的核心思想，进而指出利用建模仿真手段研究网络中心战的意义与途径，然后围绕构建基于网络中心战概念的虚拟战场的各项关键技术展开探讨，重点是基于网络中心战概念的虚拟战场的体系结构设计，目的是提出开发此类系统时所应遵循的公共框架，对于其他各项建模关键技术也做了简要论述。     

支持力反馈的鼻腔镜虚拟手术仿真系统

介绍了一个用于外科医生手术操作训练用的鼻腔镜手术仿真系统。该系统基于SensAble公司的PHANTOM为反馈设备,利用虚拟现实技术来表现鼻腔镜手术过程中对鼻腔解剖结构的漫游以及对有关鼻腔组织的手术操作反应。该系统提供的实时高分辨率的视觉和力觉反馈具有很强的真实感,为虚拟现实技术在手术仿真训练中的实用化探索了一条有益的路子。     

基于数据手套的虚拟操作技术研究

介绍了虚拟操作的概念和应用前景，以及实现虚拟操作的方法，并探讨了利用动力学分析的方法实现基于数据手套的虚拟操作时的关键技术问题，碰撞检疫算法，建立虚拟接触力模型，虚拟物体运动解算等。     

虚拟手术中基于凸多边形的软组织切割算法研究

虚拟手术仿真系统为医学教学提供了一种方便、廉价、有效的方法。切割模拟是该系统重要组成部分,影响整个系统的实时性和真实性,因此对整个切割过程进行深入研究并提出了基于凸多边形的切割算法。首先通过遍历优化索引结构后的八叉树来寻找切割起点,由起点开始,以切割轨迹为参照,采用邻居搜索策略寻找所有被切割的三角形,然后通过引入辅助单元组成凸多边形,再对凸多边形进行三角剖分,以实现网格重构。实验证明新的剖分算法抑制了模型单元数量的急剧增长,提高了三角形重构的质量。     

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。     

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。     

基于64排CT数据的肝胆虚拟手术系统的研究

虚拟手术是虚拟现实技术在医学领域的重要应用,可以用于术前对手术过程的模拟,提高手术的成功率,降低医疗成本.论述并设计了一种基于64排CT数据的肝胆虚拟手术系统,而且分别对该系统中图像分割、图像配准、3D可视化以及虚拟切割等关键技术进行了深入的探讨与研究.给出了手术刀虚拟切割肝脏及内部管道的实验结果,结果表明,该系统对制定合理的手术预案具有重要的临床价值.     

虚拟现实技术在鼻腔镜手术仿真训练系统中的应用研究

讨论了虚拟现实技术在鼻腔镜手术仿真训练中的应用,结合研制开发的具体实用系统,对系统设计、三维重建、实时力反馈、交互漫游、仿真操作等相关技术进行探讨。为把虚拟现实技术拓展到其他医学手术仿真领域提供了技术依据。     

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。     

虚拟海战场中作战对象仿真模型研究

为了解决舰艇传统军事训练和军事仿真的局限性,利用虚拟现实技术对海战场中作战对象进行建模,提出一个通用性的模型框架,并在某舰舰导弹训练模拟器上得到应用,取得较好效果。