虚拟手术中肝脏形变仿真系统

由于肝脏具有复杂的生物力学特性,因此在进行形变仿真时,计算量大而难以达到实时性要求;同时在对肝脏形变实时仿真时却很难达到真实感.为了解决这一矛盾,需要研究一种可以自动依据手术器械操控区域及施力大小而动态转换的混合模型,通过理论分析提出了一种肝脏网格与无网格混合模型的构建方法.实验结果表明,该算法具有较高的计算效率且形变具有较好效果,能够满足虚拟肝脏手术仿真的真实感与实时性要求,对虚拟肝脏软组织手术研究具有一定的指导意义.     

基于改进碰撞检测算法的肝门静脉结扎仿真

为了对虚拟肝脏手术中肝门静脉的结扎进行仿真,提出了一种改进的碰撞检测算法。改进的碰撞检测算法主要包括三个方面:缝合线的自碰撞检测、缝合线的运动分解,以及缝合线与肝门静脉模型的碰撞检测。缝合线的模拟采用跟踪控制点FTL算法,采用包围球法对缝合线进行自碰撞检测;提出运动分解方法来防止缝合线发生自穿透;将包围球法和空间网格划分法相结合,实现缝合线和肝门静脉之间的碰撞检测;同时,肝门静脉的形变采用设置刚体核的几何模型来模拟,使用虚拟弹簧振子来实现结扎时的触觉反馈。将改进的碰撞检测算法运用到虚拟肝脏手术中,满足虚拟场景中真实感和实时性的要求。     

耦合无网格迦辽金与质点弹簧实现软组织形变仿真

软组织形变仿真是虚拟手术系统的关键技术.针对目前软组织形变仿真方法存在的问题,基于黏弹性力学模型提出了无网格伽辽金(EFG)与质点弹簧(MS)耦合的软组织形变仿真方法.在手术区域即大变形和拓扑改变区域采用EFG,其他区域采用MS方法,2个区域之间建立过渡单元;在过渡单元内建立过渡节点,根据过渡节点必须满足位移和力平衡条件来实现2个区域的无缝耦合.对人体肝脏的形变仿真实验结果表明,该方法是有效的.     

虚拟手术仿真中人体软组织形变技术的研究

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。     

基于无网格的软组织物理建模及模型验证*

为了建立精确可靠的软组织物理形变模型对肝脏的生物力学模型进行了研究。首先,将人体肝脏CT图像在Mimics软件中进行三维重建,通过阈值化操作提取出肝脏的三维模型;其次,采用无网格的物理形变算法在虚拟肝脏仿真系统中对三维模型进行形变模拟,且通过对真实的猪肝进行单轴压缩实验获取肝脏的材料参数及应力应变曲线;最后,对实验结果进行优化计算选取合适的材料参数,并将使用该参数进行仿真计算的数据与真实实验数据进行比较。对比结果表明：在相同的位移条件下,仿真计算力与真实实验测试力的平均相对误差小于0.1,这证实了无网格形变模型的正确性和有效性。     

基于SPH方法的流体粒子与软体碰撞检测

针对虚拟手术系统中流血粒子与软组织器官碰撞检测的问题进行了研究.虚拟手术中流血与软体器官组织进行碰撞检测不同于传统的刚体或者软体之间的碰撞检测,流血模型的拓扑结构变化较大,传统方法通过更新拓扑结构来进行碰撞检测的方法不能够保证碰撞检测的实时性和准确性.提出一种基于空间划分的流血粒子与软体碰撞检测算法,能够处理基于光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH）模拟的流体与任意动力学模型模拟的软体之间的碰撞检测.同时,提出了对SPH算法进行最近相邻粒子搜索过程中建立起的均匀空间网格进行重复利用,使空间网格用于碰撞检测的空间划分与流体粒子的定位,从而减少了时间和空间资源的重复消耗.实验结果表明,该算法能够满足虚拟手术中流血粒子与软体之间的碰撞检测对精确性和实时性的要求.     

虚拟手术实时物体碰撞检测和软组织变形研究

针对虚拟手术系统中实时碰撞检测和软组织变形的问题进行了研究。对于实时碰撞检测,使用了包围盒检测结合三角面片检测的方法来检测物体之间的碰撞,并且找到相互碰撞的两个三角面片。对于软组织变形,使用了一种基于胡克定律的弹簧质点模型来虚拟仿真变形,并提供了控制点移动的方法。采用优化虚拟手术中的物体碰撞检测方法,减少了不必要的计算和增强了系统的精确度;简化了软组织变形的算法,相对加快了有限元模型运算速度。对推动虚拟手术的发展具有积极的意义和作用。     

虚拟手术中软组织形变仿真研究综述

软组织结构是一种非线性、各项异性、近似不可压缩的粘弹性材料体，而软组织变形仿真是虚拟手术系统中最重要的研究方向之一，同时也是难点之一。本文首先对虚拟手术做了大致的介绍，然后重点分析和总结了软组织形变的各种方法，从几何方法到物理方法，从网格模型到无网格模型，并列举了最近几年的研究情况。其中对目前比较流行的有限元方法做了较为详细的说明。最后对未来发展方向进行了展望和总结。     

人体软组织建模与实时仿真

虚拟手术系统在医学中实时仿真以建立可供手术前规划和手术时参考的虚拟环境.由于人体器官大多由软组织构成,有限元法能够精确地进行软组织几何大变形仿真.加速有限元仿真有多种方法,文章采用基于模态分析的模型约简方法,对软组织有限元模型进行模态分析,将约简子空间中的形变向量重构到原始空间,从而实现软组织实时仿真.实验结果表明,采...     

基于模型约简和GPU加速的软组织实时仿真

为了得到虚拟外科手术中人体软组织的实时变形仿真,采用了基于模态分析的模型约简方法,同时结合了GPU加速技术,实现了人体软组织的实时仿真计算,为虚拟手术提供了良好的人机交互.模型约简以有限元理论为基础,将软组织模型的动力学方程投射到约筒子空间,减少系统自由度.在实时仿真过程中,首先需在子空间中对低维动力学模型进行数值计算,然后利用GPU通用计算技术来加速重建原始空间中的形变向量.以心脏大变形实时仿真为例,验证方法的性能,实验结果表明心脏的变形仿真可以在很高的刷新率下运行.提出的模型约简和GPU加速方法,为人体软组织的变形实现了实时仿真,为虚拟手术提供了理论基础和技术支撑.     

软件工程需求建模方法的比较与分析

对目前软件工程领域中需求建模的五种常见方法进行了概述，并分别使用这五种方法的代表建模语言为一个银行账目系统的实例进行建模，通过这个实例对各种方法进行了比较与分析，并得出了关于各种方法特点的结论。     

A comparative analysis of algorithms for fast computation of Zernike moments

This paper details a comparative analysis on time taken by the present and proposed methods to compute the Zernike moments, Z_pq. The present method comprises of Direct, Belkasim's, Prata's, Kintner's and Coefficient methods. We propose a new technique, denoted as q-recursive method, specifically for fast computation of Zernike moments. It uses radial polynomials of fixed order p with a varying index q to compute Zernike moments. Fast computation is achieved because it uses polynomials of higher index q to derive the polynomials of lower index q and it does not use any factorial terms. Individual order of moments can be calculated independently without employing lower- or higher-order moments. This is especially useful in cases where only selected orders of Zernike moments are needed as pattern features. The performance of the present and proposed methods are experimentally analyzed by calculating Zernike moments of orders 0 to p and specific order p using binary and grayscale images. In both the cases, the q-recursive method takes the shortest time to compute Zernike moments.     

煤矿巷道围岩松动圈测试方法探讨

介绍了目前测试巷道围岩松动圈的不同方法及其测试原理,讨论和分析了不同测试方法的优缺点及适用范围。通过对比可以看出,声波测试法技术成熟、方法简单,但在软岩层中很难适用;多点位移计和多点应力计法可以实时监测巷道围岩的位移或应力变化,但其测试精度有限;地震波法测试精度高,但设备昂贵且安装复杂;地质雷达法不需钻孔,是一种无损测试方法,但测试成本较高;电阻率法对仪器测量精度要求较高,且对电极布置也有较高的技术要求;钻孔摄像法的图像清晰度受限于钻孔内恶劣的环境条件及摄像头的像素。因此,每一种测试方法都有其局限性,实际应用时应充分考虑巷道围岩的性质,选用适宜的方法以便准确测定巷道松动圈大小。     

Implementation of parallel three-point block codes for solving large systems of ordinary differential equations

The three-point fully implicit block methods are developed for solving large systems of ordinary differential equations using variable step size on a parallel shared memory computer. The methods calculate the numerical solution at three points simultaneously and are suitable for parallelization across the method. The methods are in a simple form as Adams Moulton method with the specific aim of gaining efficiency. For large problems, the parallel implementation produced a good speed-up with respect to the sequential timing and hence better efficiency for the methods developed.     

Combinations of collocation and finite-element methods for Poisson''s equation

In this paper, we provide a framework of combinations of collocation method (CM) with the finite-element method (FEM). The key idea is to link the Galerkin method to the least squares method which is then approximated by integration approximation, and led to the CM. The new important uniformly V⁰_h-elliptic inequality is proved. Interestingly, the integration approximation plays a role only in satisfying the uniformly V⁰_h-elliptic inequality. For the combinations of the finite-element and collocation methods (FEM-CM), the optimal convergence rates can be achieved. The advantage of the CM is to formulate easily linear algebraic equations, where the associated matrices are positive definite but nonsymmetric. We may also solve the algebraic equations of FEM and the collocation equations directly by the least squares method, thus, to greatly improve numerical stability. Numerical experiments are also carried for Poisson's problem to support the analysis. Note that the analysis in this paper is distinct from the existing literature, and it covers a large class of the CM using various admissible functions, such as the radial basis functions, the Sinc functions, etc.     

LDLT分块求解计算方法在有限元分析中的编程实现

针对有限元计算时遇到的大型线性方程组求解问题,提出一种解决方法,即对方程组的系数矩阵采用三角分解法,并用一维变带宽存贮,同时与分块法相结合,实现内存与外存数据的交换。这种方法节省内存,提高计算效率,且解决了内存资源不足的问题。实例表明这个算法是很有效的。     

改进的单纯形法迭代计算方法

对传统大M法进行改进,若计算检验数的表达式中含有M则只计算含有M的部分,从而简化计算,迭代过程中当人工变量由基变量变为非基变量时,直接去掉人工变量部分的表格然后继续计算,从而再一次降低计算量。借鉴两阶段法的优点进一步给出了无需给出大M的迭代算法,此法不会破坏目标函数的一致性,而且可以避免传统大M法在利用计算机求解时由于M值的选取不当所导致的计算错误。     

The envelope of the error for trigonometric and Chebyshev interpolation

The error in Chebyshev or Fourier interpolation is the product of a rapidly varying factor with a slowly varying modulation. This modulation is the envelope of the error. Because this slow modulation controls the amplitude of the error, it is crucial to understand this error envelope. In this article, we show that the envelope varies strongly withx, but its variations can be predicted from the convergence-limiting singularities of the interpolated function f(x). In turn, this knowledge can be translated into a simple spectral correction algorithm for wringing more accuracy out of the same pseudospectral calculation of the solution to a differential equation.     

土壤水分遥感反演方法概述

就目前国内外土壤水分遥感反演方法、进展和应用现状进行了简要地回顾,比较和评价了反射率法、植被指数法、热惯量法、温度-植被指数法、微波法等方法的优缺点及适用范围,并对土壤水分遥感反演方法及发展趋势进行了展望。     

On the generalisation of the basic iterative methods for the solution of linear systems

For the solution of the linear system Ax=b many iterative methods based on a splitting of A exist. Among them the Jacobi, the Gauss-Seidel and the Successive Overrelaxation (SOR) methods as well as their extrapolated counterparts are the most popular. This paper presents a new general method such that the aforementioned methods become special cases of it. Besides its four degrees of freedom, which make it a very flexible method, another of its main characteristics is that it is well-defined even when some elements on the diagonal of A are zero. The first results concerning the new method show that a proper exploitation of its basic properties will make it a very powerful technique.