基于混合拓扑填充球模型的子宫软组织形变模拟方法

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作者 姜杉 宋雨菲 +1 位作者 杨志永 曾静 《天津大学学报（自然科学与工程技术版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第11期1152-1160,共9页

软组织形变模拟是虚拟手术领域中最为重要的研究内容之一.对于子宫等具有复杂生理结构的人体器官而言,实现其形变建模并达到模拟的实时性要求是目前存在的挑战.为了解决上述问题,本文提出了一种具有混合拓扑结构的填充球形变理论,构建... 软组织形变模拟是虚拟手术领域中最为重要的研究内容之一.对于子宫等具有复杂生理结构的人体器官而言,实现其形变建模并达到模拟的实时性要求是目前存在的挑战.为了解决上述问题,本文提出了一种具有混合拓扑结构的填充球形变理论,构建了面向子宫等复杂生理结构器官的形变建模方法,实现了子宫肌瘤剔除手术背景下的子宫形变模拟.首先,提出了改进的填充球模型,针对器官部位几何表面的差异性,不同于以往单一拓扑的连接方式,设计了包含四面体拓扑和依据中轴线拓扑的混合填充球结构,并综合考虑子宫生理特性与手术特点,进行了形变模型区域性与软组织特性的细节化设计.在此基础上,提出了一种基于度量张量剖分方法的四面体拓扑填充球结构的建模方法,结合中轴线的提取,分别建立了相应子宫部位的拓扑结构,从而构建出完整的子宫填充球模型.通过OpenGL编写了子宫形变的虚拟环境,并结合3D Systems公司的Touch力反馈设备搭建子宫形变模拟平台,实现了子宫软组织的模拟变形.最后,设计与开展验证实验,测试子宫形变模拟的效果及实时性;另一方面,搭建了一套测量真实软组织形变数据的实验平台,对本研究实现的虚拟形变与真实软组织形变进行对比.实验结果表明:虚拟子宫形变的画面刷新频率集中在40~60 Hz范围内,满足了手术训练的实时性要求;在软组织所受作用力小于3 N的情况下,两者形变位移的最大差异为0.117 mm,同时形变模拟效果符合真实软组织在外力作用下的整体变形趋势. 展开更多

关键词 虚拟手术 软组织形变 填充球模型

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虚拟手术中软组织形变建模及力反馈算法研究 被引量：13

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作者 陈卫东 赵成龙 +1 位作者 朱奇光 关永贞 《中国生物医学工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2013年第1期114-118,123,共6页

基于弹簧-质点模型,建立一种改进的软组织实时形变模型。在正六边形拓扑结构软组织表面模型中,增加了虚拟体弹簧,以实现更加真实的形变效果。在系统中各质点处,表面弹簧形变量的叠加等效为物体表面形变,各质点处虚拟弹簧弹性力的合力等... 基于弹簧-质点模型,建立一种改进的软组织实时形变模型。在正六边形拓扑结构软组织表面模型中,增加了虚拟体弹簧,以实现更加真实的形变效果。在系统中各质点处,表面弹簧形变量的叠加等效为物体表面形变,各质点处虚拟弹簧弹性力的合力等效为物体表面的接触力。该模型继承了经典弹簧质点模型的原理简单、易建模、计算速度快等优点,同时还具有控制变形区域的能力。基于此模型,利用PHANTOM触觉交互设备,进行了软组织形变以及实时虚拟力反馈仿真实验。实验表明,该模型效果逼真,反馈力刷新一次小于1 ms,能够满足虚拟手术系统实时性的要求。 展开更多

关键词 虚拟现实 弹簧-质点模型 软组织形变 力反馈

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虚拟手术仿真中人体软组织形变技术的研究 被引量：11

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作者 叶秀芬 乔冰 +1 位作者 郭书祥 郭庆昌 《计算机应用》 CSCD 北大核心 2009年第2期568-573,共6页

对虚拟手术仿真中人体软组织形变技术进行深入研究,利用OpenGL三维图形标准建立了基于质点-弹簧物理模型的虚拟人体软组织形变系统。围绕虚拟手术仿真中人体软组织形变的逼真度和实时性两大要素展开研究,通过对比四边形网格结构提出了... 对虚拟手术仿真中人体软组织形变技术进行深入研究,利用OpenGL三维图形标准建立了基于质点-弹簧物理模型的虚拟人体软组织形变系统。围绕虚拟手术仿真中人体软组织形变的逼真度和实时性两大要素展开研究,通过对比四边形网格结构提出了改进的基于质点-弹簧模型的正六边形几何拓扑结构,并对软组织形变动力学模型及其数值积分算法、软组织形变力反馈计算模型进行了讨论,针对以往的虚拟手术器械与软组织表面接触时作用点的最近邻质点求取算法存在的不足,提出了改进的求取算法。实验结果表明,改进的算法在模拟软组织形变时具有较好的稳定性和实时性。 展开更多

关键词 虚拟手术 软组织形变 质点-弹簧模型 拓扑结构 力反馈

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基于局部动态模型的软组织形变建模与仿真 被引量：4

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作者 李艳东 朱玲 +1 位作者 叶秀芬 孙明 《计算机科学》 CSCD 北大核心 2013年第10期283-288,共6页

选择人体软组织模型作为研究对象,针对医学触诊训练的特点,提出了可变区域的局部质点-弹簧/阻尼器(ALMSDM)模型。该模型具有位置可变及区域可扩展的动态特性,改善了以往文献中局部建模方法静态限定的局限,解决了全局"面模型"... 选择人体软组织模型作为研究对象,针对医学触诊训练的特点,提出了可变区域的局部质点-弹簧/阻尼器(ALMSDM)模型。该模型具有位置可变及区域可扩展的动态特性,改善了以往文献中局部建模方法静态限定的局限,解决了全局"面模型"形变恢复能力差及数据量大的问题。结合ALMSDM的特点,提出了顶点法向量局部更新与预计算策略,从而极大地提高了系统的实时性。从形变恢复能力、反馈力及实时性3方面对不同模型下的系统性能进行了评价,结果显示所提算法能够保证虚拟软组织形变仿真的精确性与实时性,具有可行性与通用性。 展开更多

关键词 虚拟手术 软组织形变 局部动态模型 触觉反馈 面模型 体模型

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软组织形变模型的自适应网格细分算法 被引量：2

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作者 刘秀玲 陈栋 +2 位作者 董亚龙 董斌 王洪瑞 《河北大学学报（自然科学版）》 CAS 北大核心 2013年第3期312-316,323,共6页

软组织形变效果的真实性和实时性是评价虚拟手术训练系统优劣的2个重要因素.软组织的三角网格模型作为形变算法的基础,直接影响着形变的整体效果.为提高软组织形变仿真的真实性和实时性,提出了软组织三角网格自适应细分算法,可以针对模... 软组织形变效果的真实性和实时性是评价虚拟手术训练系统优劣的2个重要因素.软组织的三角网格模型作为形变算法的基础,直接影响着形变的整体效果.为提高软组织形变仿真的真实性和实时性,提出了软组织三角网格自适应细分算法,可以针对模型指定区域进行细分处理,避免了为提高形变真实性而无选择性地加密所有三角网模型的弊端,大大减少形变计算的数据量,进而提高形变仿真的速度.同时为达到更好的形变效果,对模型表面进行平滑处理,消除"棱角"现象.仿真实验表明,本文的算法不仅大大提高了软组织形变仿真的速度,而且对形变效果也有很好的提升. 展开更多

关键词 自适应 网格细分 平滑优化 软组织形变

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虚拟肩关节镜手术中软组织形变的模拟 被引量：1

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作者 黄敏 王金武 +2 位作者 顾力栩 周喆 陆文龙 《计算机工程》 CAS CSCD 2012年第19期281-284,289,共5页

为实现虚拟肩关节镜手术中软组织的形变模拟,提出一种改进的质点-弹簧模型。通过自适应采样及K阶最邻近节点快速查询算法,建立表面质点密度高而中心质点密度低的拓扑结构模型,在传统质点-弹簧形变模型的基础上,增加防止弹簧翻转的复原力... 为实现虚拟肩关节镜手术中软组织的形变模拟,提出一种改进的质点-弹簧模型。通过自适应采样及K阶最邻近节点快速查询算法,建立表面质点密度高而中心质点密度低的拓扑结构模型,在传统质点-弹簧形变模型的基础上,增加防止弹簧翻转的复原力,采用计算统一设备构架实现图形处理器的加速。模拟结果表明,该模型能够实现较真实的形变模拟。 展开更多

关键词 软组织形变 虚拟手术 肩关节镜手术 质点-弹簧形变模型 几何拓扑结构 图形处理单元

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一种基于OpenHaptic的软组织有限元形变模型 被引量：4

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作者 唐贤根 熊岳山 +1 位作者 谭珂 潘新华 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2012年第7期1434-1437,共4页

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... 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。 展开更多

关键词 OpenHaptic 力反馈 软组织形变 面积坐标 等效结点力向量

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大脑组织分层体网格建立及变形技术研究 被引量：1

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作者 陈春晓 王睿 +1 位作者 彭娴璐 吴佳妮 《南方医科大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2011年第10期1675-1681,共7页

虚拟手术系统在辅助医生合理制定术前方案以提高手术成功率方面有重要意义。虚拟手术系统主要由医学数据可视化与建模和人体组织器官(主要是软组织)受力形变仿真两部分构成。针对大脑的复杂结构,本文采用混合水平集并结合阈值分割及形... 虚拟手术系统在辅助医生合理制定术前方案以提高手术成功率方面有重要意义。虚拟手术系统主要由医学数据可视化与建模和人体组织器官(主要是软组织)受力形变仿真两部分构成。针对大脑的复杂结构,本文采用混合水平集并结合阈值分割及形态学方法,可有效地将大脑磁共振图像分割成头部轮廓、灰质、白质、脑脊液和脑室五部分,并利用课题组开发的基于约束的Delaunay算法及iso2mesh等开源工具包,建立了脑组织的四面体网格,并对各部分组织对应的网格分别进行标记。最后利用得到的具有真实解剖结构的有限元网格,对软组织的形变进行了研究,建立了基于Tensor-Mass模型的点触和球触变形模拟。本文的研究可进一步提高大脑虚拟手术的定位精度和反映大脑组织形变的过程。 展开更多

关键词 图像分割 体网格 DELAUNAY 软组织形变 Tensor-Mass

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用于机器人辅助穿刺手术进针策略研究的猪肝进针力建模 被引量：7

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作者 孙银山 吴冬梅 +1 位作者 杜志江 孙立宁 《高技术通讯》 CAS CSCD 北大核心 2011年第9期948-953,共6页

为研究机器人辅助肝脏穿刺手术中的进针策略以确保手术安全，基于实验数据建立了猪肝的进针力模型。方法如下：在2个新鲜离体猪肝3个不同区域内共采集了18条进针力曲线数据，根据针尖位置及进针力特征将力曲线划分为“被膜刺破前”、“... 为研究机器人辅助肝脏穿刺手术中的进针策略以确保手术安全，基于实验数据建立了猪肝的进针力模型。方法如下：在2个新鲜离体猪肝3个不同区域内共采集了18条进针力曲线数据，根据针尖位置及进针力特征将力曲线划分为“被膜刺破前”、“进入肝脏前”和“进入肝脏后”3个阶段，然后采用已有的力模型分别进行每一阶段的进针力建模，通过对比各阶段的建模效果，确定最优的各阶段进针力模型，最后组合成完整的进针力模型。最终的进针力模型比较表明，相同个体不同区域的力模型差异较小，可以用一个力模型来表示该个体进针力特征，不同个体的进针力特征能否用一个力模型表示还需进一步验证。猪肝进针力模型的建立，可为实现机器人辅助人体肝脏穿刺手术中的进针控制和手术安全提供重要依据。 展开更多

关键词 机器人辅助穿刺手术 进针力 力建模 软组织形变 进针机器人

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基于质点—弹簧体模型与改进欧拉算法的力反馈 被引量：7

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作者 刘雪梅 王瑞艺 郭松 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2013年第9期2234-2238,共5页

基于SensAble公司的PHANTOM力反馈设备,以肝脏组织为对象,对虚拟手术仿真中软组织的形变和触觉反馈进行研究。考虑虚拟手术仿真对精度和实时性的要求,采用基于四面体的质点—弹簧体模型构建肝脏组织物理模型,较好地反映了肝脏形变的体特... 基于SensAble公司的PHANTOM力反馈设备,以肝脏组织为对象,对虚拟手术仿真中软组织的形变和触觉反馈进行研究。考虑虚拟手术仿真对精度和实时性的要求,采用基于四面体的质点—弹簧体模型构建肝脏组织物理模型,较好地反映了肝脏形变的体特征,增加了模拟的真实感;传统的模型中通常采用线弹性弹簧,但考虑到软组织形变时的黏弹特性,采用弹簧和阻尼器并联的Kelvin黏弹性力学模型模拟肝脏组织的生物力学特征,力图提高形变仿真的准确性。由于光滑的触觉反馈对实时性有更高要求,为进一步提高计算效率,提出一种改进的欧拉算法,仿真结果表明,帧速大于1000HZ,满足虚拟手术实时性需要。 展开更多

关键词 软组织形变 质点-弹簧体模型 改进的欧拉算法 力反馈

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一种自适应网格局部细分的软体任意切割与变形算法

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作者 唐勇 刘吉娟 吕梦雅 《小型微型计算机系统》 CSCD 北大核心 2013年第11期2639-2642,共4页

为提高虚拟手术切割的实时性与逼真性,提出一种软体实时任意切割与变形的新算法.采用质点弹簧模型模拟切割时软组织因外力引起的形变;在切割区域引入自适应网格局部细分算法精细化网格,然后将改进的顶点复制算法用于模拟刀痕,从而在增... 为提高虚拟手术切割的实时性与逼真性,提出一种软体实时任意切割与变形的新算法.采用质点弹簧模型模拟切割时软组织因外力引起的形变;在切割区域引入自适应网格局部细分算法精细化网格,然后将改进的顶点复制算法用于模拟刀痕,从而在增加切割速率的前提下,保证切割与形变的逼真性.切割时的滴血现象基于粒子系统表现,并将余弦定理和相似三角形的合并方法应用于血珠的融合,增强切割效果的逼真性.实验结果表明:自适应网格局部细分模型与原始的粗网格模型的计算量相差很少,但是模拟的逼真度成倍提高;在细分后的小网格中采用改进的顶点复制算法,速率得到提高.逼真地实现软组织的实时任意切割与变形. 展开更多

关键词 虚拟手术 软组织形变 切割 自适应细分 改进的顶点复制 滴血

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