虚拟手术中缝合过程的相关技术

针对虚拟手术缝合过程中软组织与缝合线交互模拟实现困难的问题,提出一种新的缝合模拟方法。首先,采用质点弹簧模型对软组织建模,为使软组织形变更加真实,在软组织质点间引入内摩擦力系数;其次,为更好地保持缝合线的刚体特征的同时,保证软组织和缝合线的交互过程接近物理真实,几何和物理方法相结合建模缝合线,运用质点弹簧模型可以对产生交互的软组织结点和缝合线结点进行受力分析,采用跟踪头结点算法计算缝合线的新位置;最后,考虑到多次缝合时软组织形变相互影响,利用已缝合结点的对应缝合点计算两个软组织的形变。实验表明,该方法有效提高了软组织形变和缝合线运动真实感,同时保证了模拟过程的实时性。     

基于实测数据的软组织形变系统辨识方法

为了实现虚拟手术场景的视觉真实感和触觉真实感,需要建立准确的软组织形变模型。从软组织真实形变角度出发结合系统辨识理论来对软组织进行定量建模。考虑到软组织的各向异性,分别采集软组织的水平形变数据和垂直形变数据,并利用LS-SVR建立软组织应力与应变之间的关系,从而完成对软组织水平方向和垂直方向的形变建模。同时通过对软组织表面的点进行固定采样,并结合所建立的模型可以实现虚拟手术系统输入力输出形变位移的导纳控制。将系统辨识输出的形变结果与真实的形变数据进行对比,辨识结果具有较高的准确性,可以满足虚拟手术系统真实性的要求。     

一种基于质点弹簧模型的牙龈软组织形变仿真算法

在虚拟手术系统中,软组织形变仿真的好坏会直接影响其仿真的真实感。本文以口腔手术涉及的牙龈软组织为对象,应用质点弹簧模型建立其物理模型,提出一种适用于虚拟手术中牙龈形变仿真的中点平均算法。融合了中点法和平均法的优点,采用中点法对速度进行迭代求解,采用平均法对位移进行求解,能够有效减小误差及受步长的影响。通过与多种欧拉算法对比,进一步验证了中点平均算法求解精度更高、受步长的影响更小的优点。     

基于力/触觉反馈的虚拟血管介入手术系统

设计了一种新颖的基于力/触觉反馈的虚拟血管介入手术系统.该系统以通用型力/触觉交互设备—Novint Falcon 力/触觉再现装置为核心,能够完成虚拟血管手术环境中的力/触觉反馈.详细介绍了系统的硬件环境参数,并设计了基于3DS MAX的建模与CHAI 3D的仿真软件系统.仿真实验结果表明:基于力/触觉反馈的虚拟血管...     

一种基于质点-弹簧系统的植物形变模拟改进算法

在外力作用下植物的形变是自然场景建模中重要的研究内容,逼真地模拟植物形变在植物虚拟仿真过程中具有重要作用。提出一种基于质点-弹簧系统的植物形变模拟的改进算法,实现了小规模植株枝条及叶片的运动模拟。首先进行植株模型的骨骼提取和模型重建,然后基于骨骼节点构造质点-弹簧组,并根据植株的受力情况分析进行植株动态形变的模拟。选取番茄为研究对象,在Unity3D平台上进行了番茄植株形变模拟。该改进算法可以统一处理植株的多种器官结构的受力分析和形变,并且考虑到了植株的碰撞处理,模拟实验的结果证明了该算法的有效性,可以为植物形变模拟的研究提供技术参考。     

手术仿真中基于质点-弹簧模型的人体组织变形仿真

采用质点一弹簧建模方法提出了人体软组织面模型和体模型系统、程式化的计算模型建立方法。将连续的软组织离散为由弹簧偶尼器及与其连接的质点构成的离散系统，用邻接表来表示离散系统的拓扑结构，即弹簧一质点间的邻接关系，依据该信息，可自动建立方程并计算与每个质点连接的弹簧、阻尼器对质点的粘弹性力的贡献，然后采用4阶Runge-Kutta方法对得到的微分方程组进行数值积分。通过小肠模型(面模型)和规则块状软组织模型(体模型)2个实例介绍了采用所提出的方法实施软组织变形仿真的过程。     

重力作用下肝脏模型变形及切割模拟仿真

为了能够实时且准确的模拟部分肝脏切除术中肝脏真实变形状态,本文提出了一种基于物理的质点弹簧软组织模型。依据肝脏软组织生物力学特性建立了针对肝脏的质点弹簧模型,利用此模型将离体猪肝作为实验对象,分别进行离体猪肝受重力变形以及离体猪肝的切割实验,给出了模拟变形与真实变形的离体猪肝CT扫面重建模型对比结果。实验结果表明:离体猪肝在重力作用下变形在2 mm内,离体猪肝切割变形在3 mm内;在实时性方面,引入GPU进行并行计算,在重力变形以及切割过程中刷新率分别保持在300FPS和200FPS。该模型能够真实反映肝脏组织形变,同时在计算效率方面具有明显的优势。本文提出的质点弹簧软组织模型能够满足肝脏切割的要求。     

基于CT图像的组织建模与仿真方法

为了满足在虚拟手术中针对专门患者的材料进行手术规划、手术演习等研究的需要,提出了基于患者CT图像进行生物组织建模与仿真的10步建模法,解决了基于CT图像组织建模与仿真研究中涉及的生物组织几何建模问题、物理建模问题、基于应变能函数建立生物组织运动的力学方程问题、利用有限元法解生物力学方程问题,并利用该建模方法对人体股骨及软组织进行了建模与仿真,通过仿真结果同生物材料测试结果的比较,尽管实验误差和模型的简化造成了两组数据之间的不同,但是从整体上看,二者在趋势和数值上还是匹配的很好.特别是在2~8mm这个临床常用牵引范围内,效果可以满足临床仿真需要.证明了该方法和所建立的数学模型在生物组织建模与仿真中的有效性.     

采用力反馈技术的毛笔建模

将力反馈技术引入虚拟绘制过程,提出一种新的毛笔建模方法,实时仿真中国书画绘制过程中毛笔变形和笔纸之间的水墨传输过程.通过中心骨架和表面两层结构构建毛笔几何模型.采用弹簧振子模型仿真力作用下毛笔中心骨架弯曲变形和毛笔表面变形,实现力对毛笔变形的动态控制.通过毛笔水墨量实时计算方法仿真书画绘制过程中笔纸之间的水墨传输过程.基于硬件组件HPxw8600工作站和Phantom Desktop力反馈设备,构建带有力反馈技术的虚拟绘制系统.在该系统中,用户通过Phantom Desktop力反馈设备实现实时绘制,增强了虚拟绘制过程的真实感.     

血管软组织物理建模仿真

随着虚拟血管介入手术训练系统研究的逐渐深入,介入手术过程的力学特性分析成为众多科研工作者的研究热点。为了提高虚拟手术中导丝介入过程的精确性,设计了血管软组织轴向拉伸实验,以实验数据为基础,计算其生物力学参数并进行有限元仿真。将血管软组织视为线弹性模型,模型参数主要取决于杨氏模量和泊松比。通过对仿真数据和实验结果进行对比可知,基于有限元的软组织拉伸仿真数据和真实结果基本一致,验证了有限元法对软组织建模的准确性与可行性。     

基于神经网络的虚拟手术实时仿真

为了在PC机上实现可用于手术培训和手术规划的虚拟手术环境进行生物组织建模与仿真研究.虚拟手术目前面临的主要难题是建模的准确性和仿真的实时性问题.首先建立了生物组织运动的力学平衡等式并且建立了几种典型模拟生物组织的材料模型,利用有限元分析的方法,对高度非线性的生物力学方程进行求解,为了实现实时仿真的要求,通过神经网络技术学习有限元分析结果再集成到整个系统中.文中给出了该方法在正骨手术仿真中的应用.结果证明,基于该方法建立的仿真系统既体现了生物组织的材料特性又满足了实时仿真的要求.     

牙龈软组织变形仿真技术研究

基于三角网格描述的三维牙颌模型,根据牙龈变形的生理医学特性,结合牙龈变形仿真的实时性和逼真性要求,提出一种完整的牙龈软组织变形仿真算法.该算法根据三维牙颌模型的曲率特性,对其生物特征信息进行定量描述;在曲率特性分析的基础上进行区域划分,确定牙冠、牙龈及变形中的固定区域;根据牙龈的变形类似于带边界约束的弹塑性薄膜的变形特性,采用能量函数驱动方式,实现牙龈动态连续变形.     

基于Unity3 D的塔吊建模仿真

以STT153型塔吊为仿真原型,对其机械结构、操作方式进行了分析,主要运用以Unity 3D为主的虚拟现实技术方法对塔吊作业现场及工作原理进行建模和仿真,创建了一个实时交互式的塔吊作业仿真平台.     

基于BP神经网络的虚拟手术实时仿真技术研究

在人体腿部的虚拟仿真研究中,建立有限元模型并进行生物力学特性分析是一种有效的方法.但由于有限元模型数据量大,解算时间长,并且难以与既有系统融合,因此不适合在实时的手术培训和手术预演中应用.为了提高虚拟手术仿真系统进行实际作业的能力,笔者提出了以BP神经网络模型来代替有限元模型,实现实时的生物力学响应.并结合已有的医疗机器人辅助接骨虚拟现实仿真手术系统,构建了系统实验平台.实验结果证明,人体腿部的BP神经网络模型能够完全满足手术仿真所需的实时性要求.     

一种基于PC的生物组织建模与实时仿真方法

为了在PC机上实现可以用于手术培训和手术规划的虚拟手术环境,首先基于人体组织特性确定了3种可选择的生物力学材料,进而建立组织的动力学平衡等式,利用有限元方法对非线性动力学等式进行求解,最后利用神经网络技术学习有限元分析结果,并给出了该方法在皮肤切割仿真中的应用.结果证明,基于该方法建立的仿真系统既体现了生物组织的材料特性又满足了实时仿真的要求.     

A novel progress of leg tissue properties modeling based on biomechanics

To describe strategies for addressing technical aspects of computational modeling of leg tissue with the finite element (FE) method,a patient’s leg sample was selected and scanned by CT at the direction parallel to the Frankfort Horizontal plane. A three-dimensional (3D) finite element model of the human leg was developed using the actual geometry of the leg skeleton and soft tissues, which were obtained from 3D reconstruction of CT images. All joints were defined as contact surfaces, which allow relative articulating movement. The major ligaments were simulated using tension-only truss elements by connecting the corresponding attachment points on the bone surfaces. The bony and ligamentous structures were embedded in a volume of soft tissues. The muscles were defined as non-linear viscoelastic material, and the skin, ligaments and tendons were defined as hyperelastic, while the bony structures were assumed to be linearly elastic. The multilayer FEM model containing thighbone, tibia, fibula, kneecap, soft tissue was formed after meshing. Diverse forces were imposed on the FEM model. The results show that the multilayer FEM model can represent tissue deformation more accurately.     

面向Agent的虚拟建模方法研究

阐述虚拟现实技术的概念、特点,研究了虚拟现实建模语言(Virtural Reality Modeling Language,VRML)实时交互行为的工作原理和关键技术.通过对面向Agent技术的分析,提出了一个基于BDI模型的面向Agent技术的虚拟建模方法,并对一个虚拟公园中的认知型Agent的部分功能进行了编码和实现. 更多还原     

基于ADAMS的滚动轴承参数化建模与动力学仿真

为了更加精确地进行轴承动力学设计,优化高速轴承的动力学特性,本文采用虚拟样机分析软件对滚动轴承进行参数化建模,给出滚动轴承参数化过程,同时建立了深沟球轴承动力学参数化模型并进行仿真分析,仿真结果表明,当对滚动轴承施加一定重载荷时,滚动体因受迫速度增大一些,滚动体与内外圈及保持架的接触力也会增大,但由于滚动体的直径减小,施加的载荷不足以使轴承的变形达到增加接触力效果,所以在对轴承模型施加1000N载荷后,参数化模型分析结果与实际要求相符合。提高了建模效率,方便了用户不用考虑模型内部之间的关联变动对模型进行快捷修改。该方法对研究滚动轴承动力学特性具有重要作用。