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。     

虚拟手术中缝合线打结的仿真研究

针对实习医生基本技能训练时难以真实地融入到手术环境中的问题,通过研究虚拟环境下缝合线的建模方法,实现了基于连续控制点的缝合线3D模型的建立及其位置变换过程,提出了一种基于球形包围盒的缝合线碰撞检测的算法,并由此设计出一种适用于缝合线打结的仿真方法。该仿真使用的缝合线符合外科医生实际操作习惯,具有较好的实用性。在此基础上所做的虚拟打结实验表明,此缝合线仿真能较好地对缝合线打结进行再现,可以使操作者体验到实地做手术的感觉,可用于实习外科医生的培训当中。     

一种胆道虚拟手术仿真系统*

设计了一种用于外科医生仿真训练的具有实时力反馈的胆道虚拟手术仿真系统。主要讨论了本系统的结构设计、三维重建、碰撞检测、软组织的弹性变形和力反馈等方面的技术实现。通过对胆囊取石手术进行仿真模拟,分析该系统的应用情况和性能指标。实验结果表明,该系统能有效地进行胆道手术仿真训练,提供的力反馈功能具有较好的稳定性和实时性。     

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PHANTOM的虚拟手术系统的研究

对虚拟手术系统中虚拟手术器械的建模、物理模型、碰撞检测、切割等关键技术进行研究,利用Sensable公司开发的PHANTOM力反馈设备以及配套的OpenHaptic软件开发包,构建一个基于力反馈设备的虚拟手术系统。     

一种用于虚拟手术仿真的碰撞检测方法

碰撞检测是虚拟手术中的关键问题;基于手术过程中手术器械只有尖端部分与器官接触这一特点,提出了对人体器官表面模型采集一系列特征点来描述器官的外部轮廓;通过简化的Lin-Canny算法和包围球法相结合的方法来实时地检测虚拟手术过程中手术器械和人体器官的碰撞;该算法继承了Lin-Canny算法的增量式计算和包围球算法易于计算的优点,能满足实时检测的要求;通过实验研究,给出了所提算法与包围盒算法、Lin-Canny算法的比较结果;验证了所提出算法的优越性。     

虚拟手术中快速碰撞检测方法的研究

为了解决虚拟手术的快速碰撞检测问题,提出了一种新的基于层次包围盒的快速碰撞检测方法。文中基于虚拟手术中器官组织是软体模型且规模巨大,而手术器械是刚体模型且结构简单这一特点,从层次包围盒构造、包围盒树遍历和精确相交测试三个方面改进算法。仿真实验表明该算法能正确有效地处理虚拟手术中的碰撞检测,与标准库RAPID对比,随着软体模型规模的增大,该方法能显著提高碰撞检测的效率。     

基于力反馈的虚拟脊柱手术模拟系统的构建

针对医学手术排练演习和手术教学开发了虚拟脊柱手术模拟平台。在该平台上能够根据手术的真实环境,模拟常用手术器械和脊柱结构,实现人机实时交互。详细介绍了系统的硬件环境参数,并基于3DS MAX的建模和力触觉渲染引擎CHAI 3D进行仿真。仿真实验结果表明,基于力反馈的虚拟脊柱手术模拟系统可以有效地模拟脊柱手术时的力反馈状态,帮助医师进行脊柱手术术前训练,并适用于高校的医学教学和医疗机构人员的培训。     

下颌骨拼接与导板设计的力反馈虚拟手术研究

传统的颅颌面术前规划与手术训练缺少力的触觉反馈，导致医生在手术建模与导板设计的过程效率低下。针对提高医生术前规划效率和训练的效果，设计了一种基于力反馈的颅颌面虚拟手术仿真平台。该系统采用力反馈机制与碰撞检测机制，能够对模型进行选取并移动而达到对下颌骨精确拼接的效果，同时能够设计出相应的导板。实验结果证明使用该平台进行颅颌面手术术前规划和导板设计更有效率，仿真结果的实时性和真实性也较高。     

协作虚拟原型中机械仿真系统的研究

协作虚拟原型技术是 90年代兴起的一项新技术。机械仿真系统为协作虚拟原型系统的一个子系统 ,针对机械仿真系统中的关键性技术 ,进行了基础性研究。系统应用了C 语言及OpenGL编程 ,初步解决了虚拟原型中机械仿真系统的装配技术、碰撞检测以及逆运动求解等问题。     

实时多组织虚拟手术的反馈力模拟

为了在虚拟下颌整形手术系统中提供实时和真实的触觉交互,分别构建了基于虚拟中介平面的推操作触觉模型、基于粘附力的拉操作触觉模型和基于非线性粘弹性的针刺触觉模型,以模拟皮肤拉钩、整形镊和针的典型手术操作;同时通过相邻组织间的动态触觉约束建立了多组织联合形变模型,以避免表面弹簧-质点模型形变过程中可能出现的表面间相互穿透的异常现象;并进一步将触觉交互模型和多组织形变模型集成于虚拟下颌手术系统,从而为医生提供一个手术训练的虚拟平台.触觉感知和交互效率的实验结果表明,通过触觉交互识别皮肤、肌肉和骨骼能够获得较高的识别正确率,并能提供实时的触觉和视觉交互体验.     

虚拟手术中的模型实时绘制

实时的视觉反馈在虚拟手术中可以加强操作者的沉浸感。该文分析了体绘制和面绘制的优缺点,在系统实时性的要求下,实现了基于立体纹理映射的三维体模型的面绘制。算法在容许实时交互的同时,为操作者提供了真实感较强的视觉反馈。由于文中立体纹理生成及纹理坐标计算的特殊性,对虚拟手术中的拉压变形和切割等操作也能很好地处理。     

虚拟场景中的实时降雪模拟

降雪是一种重要的自然现象,对降雪的模拟可以大大提高虚拟场景的逼真度。文中在分析粒子系统建模方法的基础上,给出了一种雪粒子模型,该模型对雪的物理模型进行了适当简化:通过控制雪粒子的大小、形状、密度(数量)来实现雪强度的模拟;通过控制雪粒子的运动来模拟风对雪的影响,并对雪粒子的产生域进行了讨论,使其满足视点运动的要求。实践表明,该粒子系统模型可在复杂的三维场景中实时地模拟降雪现象,仿真效果逼真。     

虚拟场景中的实时降雪模拟

降雪是一种重要的自然现象，对降雪的模拟可以大大提高虚拟场景的逼真度。文中在分析粒子系统建模方法的基础上，给出了一种雪粒子模型，该模型对雪的物理模型进行了适当简化：通过控制雪粒子的大小、形状、密度（数量）来实现雪强度的模拟；通过控制雪粒子的运动来模拟风对雪的影响，并对雪粒子的产生域进行了讨论，使其满足视点运动的要求。实践表明，该粒子系统模型可在复杂的三维场景中实时地模拟降雪现象，仿真效果逼真。     

虚拟手术中肝脏体实时切割系统

在检测二维医学图像的过程中利用医学图像的三维可视化技术有利于医生更加全面地分析图像数据,从而对病情做出准确的应对措施.以肝脏为例,首先提取可视人体数据集中连续横断面图像,采用区域生长的图像分割算法从连续的横断面图像中提取出肝脏轮廓的区域.然后对肝脏轮廓进行层间插值,利用VTK工具包结合面绘制方法构建出肝脏的三维模型.接着对初始模型进行一定程度的网格削减,降低数据冗余度,完成虚拟肝脏体的三维重建.采用CUDA架构进行肝脏体纹理的合成与映射工作,兼顾了体纹理的真实感和虚拟手术系统的实时性,对虚拟肝脏手术的发展有着重要的促进作用.     

遥操作正骨机器人虚拟手术仿真系统研究

分析了将虚拟现实技术引入医疗机器人系统的重要性,结合本实验室研制的医疗正骨机器人系统提出了一种基于Java3D、视觉反馈和力反馈的遥操作正骨机器人虚拟手术仿真系统．文章介绍了系统的总体结构、工作原理和软、硬件平台,分析了虚拟和现实两个子系统的工作流程,并描述了系统内各主要模块的功能．     

虚拟战场中不规则物体的实时显示研究

虚拟战场中不规则物体的实时显示能够增强人们在虚拟环境中的沉浸感。文中论述了在实时性要求很高的某型车辆视景仿真系统中,应用粒子系统方法构建简单模型实现爆炸效果的具体步骤,并提出了提高算法实时性的技巧,此方法已应用于仿真系统中,在一般配置的微机上实现20f/s的刷新率,模拟效果逼真,同时满足了系统实时性。     

虚拟战场中不规则物体的实时显示研究

虚拟战场中不规则物体的实时显示能够增强人们在虚拟环境中的沉浸感.文中论述了在实时性要求很高的某型车辆视景仿真系统中,应用粒子系统方法构建简单模型实现爆炸效果的具体步骤,并提出了提高算法实时性的技巧,此方法已应用于仿真系统中,在一般配置的微机上实现20f/S的刷新率,模拟效果逼真,同时满足了系统实时性.     

虚拟手术仿真中三维模型简化方法的研究

针对虚拟手术仿真中海量三角网格模型的特点,提出一种改进的基于边折叠的模型简化算法。该算法在经典边折叠算法的基础上,从误差估算、折叠点选取、模型平滑三方面进行了改进,进一步优化三维模型的简化速度和外观效果。实验结果表明,改进后的边折叠算法对海量三角网格的肝脏以及静脉模型的简化速度显著加快,简化后的模型与原模型相比在视觉上保持了良好的一致性,证明了该算法的有效性和可靠性。     

虚拟飞行场景中事故特效的实时仿真

针对飞机的虚拟飞行仿真中,飞行事故仿真的真实感不强的问题,基于粒子系统, 结合动力学模型,实时渲染了爆炸、火焰、烟雾等飞行事故常见特效。使用四边形粒子代替传统 点粒子,结合纹理映射技术和融合技术,将真实感较强的纹理贴图与背景的帧缓存按照预设的融 合因子进行深度融合,提高了特效的真实感和实时性。通过粒子系统碰撞检测的方法,模拟烟雾 在飞机机舱内扩散,与舱壁发生碰撞的效果。搭建出模拟飞行的虚拟现实仿真系统,实现真实感 和沉浸感都很强的飞机爆炸、起火和冒烟等事故场景实时仿真。