基于MRI的开颅手术仿真系统设计

目前临床的医学可视化工具不能准确模拟开颅手术过程,也难以获得颅脑开窗后的仿真影像来评估手术方案对颅内组织的影响。为此,设计一种面向外科手术医生的开颅手术仿真系统。相对于传统医学可视化工具针对医学影像数据进行一次性建模的方式,该系统在三维数据重建前完成关键组织区域的提取和划分,以提升分割效果的区分度,同时采用松耦合结构方便后续功能扩展。系统基于病人术前的MRI数据,自动化地提取出关键组织区域并混合绘制为多解剖结构的手术模型。手术模型可模拟开窗区域规划、手术入路、虚拟切割等开颅手术过程,并对不同解剖结构的面绘制及体绘制模型分别应用切割隐函数,以生成开窗后大脑皮层及浅表静脉等关键区域影像。实现结果表明,该系统允许医生尝试不同的手术方案,能仿真关键问题并评估方案优劣,达到减少手术风险、熟练手术步骤、提高手术精确度的目的。     

基于GPU的交互式体数据切割

为实现实时高效的体数据切割操作,提出一种将人机交互和基于GPU的体绘制相结合的切割方法.先通过人机交互生成多个切割体的几何形状并三角化,将其作为基于GPU的光线投射算法的代理面,然后利用深度剥离算法获得光线在所有代理面上的出入射点坐标,并用多个通道完成体绘制.该方法在单个3D纹理上进行,可以实现多个任意形状的切割体切割,在节省GPU内存空间的同时,提高了切割后的绘制效率.     

一种实时体切割绘制的光线分段预处理方法

针对传统图形绘制算法速度慢,质量不高的缺点,提出了一种快速的基于光线投射法的体切割预处理方法。通过外接球面和进行分段的光线投射预处理,在保证绘制质量的同时,实现了实时体切割。实验结果表明,本方法对于医学可视化应用,在使用规则体数据时,有令人满意的结果。     

基于面绘制技术的医学影像立体显示

医学影像立体显示技术利用二维医学图像序列重建出三维模型,为医生提供了直观、全面、准确的病灶和正常组织信息,给临床诊断和治疗带来了巨大进步,是当今医学领域研究的热点。三维重建有体绘制和面绘制两种方法,本文主要介绍了面绘制方法的原理和实现,选择基于体素的表面重建方法,利用国际上广泛应用的可视化工具包VTK提供的MC算法实现面绘制,并对轴、冠、矢三个方向的任意切面进行显示。     

基于体可视化的计算机辅助脊柱矫形系统设计

为了实现脊柱畸形手术治疗计划中的精确术前模拟,开发了计算机辅助脊柱矫形系统。系统结合面绘制和体绘制技术实现三维脊柱模型的体切割,采用刚性配准技术实现楔形截骨后的脊柱模型配准融合,最后利用配准前后参数测量信息对术后效果进行评估。系统仿真结果表明:针对脊柱模型,进行模拟手术切割、配准、测量,能比较直观、精确地反映矫形效果,可为手术方案的制定提供较为科学的依据,同时系统也具有较好的可扩展性与工程参考意义。     

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。     

基于序列切片图像体绘制结果的实现与保存

医学图像的体绘制作为辅助诊疗的重要手段,成为近年来研究和应用的热点。文中讨论了光线投射法这一体绘制经典算法的实现过程,并实现了基于人体序列切片图像的肾脏体绘制,重建结果的保存和读取操作以及虚拟的立体裁切功能,使得对于重建结果的研究与繁杂的重建过程脱离开来,具有应用灵活、效果逼真等优点。     

体绘制的任意曲面切割方法

为了在体绘制的过程中,响应用户的实时交互以及对体数据进行切割。论文提出了一种预计算外部轮廓,基于ConstructiveSolidGeometry(CSG)的方法来进行切割的方法。预先计算的外部轮廓在整个体绘制过程中完成界定体元绘制的边界和进行切割交互的功能,因此提高了体元绘制和切割的效率。引入外部轮廓几何体之后,采用基于CSG的方法来进行交互式切割,保证了原有外部轮廓和切割体各自内部的拓扑关系。最后,通过对纹理坐标的实时计算,实现3D纹理的映射。论文借助于现有可编程图形流水线的功能实现该方法,完成了高效率的实时交互和绘制。     

医学图像3维重建模型的虚拟剖切算法

对医学图像体数据及重构几何模型进行虚拟剖切,可以方便地看到内部的组织,便于观察和诊断,可用于医疗放射治疗规划.针对医学图像重建的表面几何模型,提出了对模型进行平面剖切、立体开窗及任意交互切割的算法.平面剖切和开窗是用剖切面或剖切体对重建模型施以剖切,在剖切面上生成边序列及顶点序列;由此边序列和顶点序列生成封闭的边界轮廓,确定各轮廓的包含关系;对封闭轮廓包围的截面区域进行Delaunay三角剖分,得到完整的剖切后的表面模型.任意交互切割过程是交互生成切割路径,确定切割边界,并沿切割边界对表面模型进行切割.实验结果证明了本文算法的有效性.采用本文算法可得到良好的虚拟剖切效果.     

基于Ray-Casting算法对医学图像进行三维体绘制重建

对医学图像三维体绘制的基本流程、光学模型及原理进行了分析,并深入研究了光线投射Ray-Casting算法的模型及原理,就其颜色赋值、重采样、图像合成等关键技术进行了深入讨论和研究,最后在MITK平台实现了医学图像的体绘制。该算法对体绘制的三维模型能够进行光照属性、表面属性和环境参数的交互操作;同时可进行法平面切割和动态平面切割显示;此外,还可以进行旋转、缩放、平移等交互操作。     

一种医学图像数据场的剖切显示算法

提出了一种基于体绘制模型的医学图像数据场的三维可视化法 :剖切显示法 ,并在微机环境下以人体头部CT图像为例进行了实验。实验证明该方法具有绘制速度快和成像精度高的优点。     

Haptic rendering for dental training system

Immersion and interaction are two key features of virtual reality systems, which are especially important for medical applications. Based on the requirement of motor skill training in dental surgery, haptic rendering method based on triangle model is investigated in this paper. Multi-rate haptic rendering architecture is proposed to solve the contradiction between fidelity and efficiency requirements. Realtime collision detection algorithm based on spatial partition and time coherence is utilized to enable fast contact determination. Proxy-based collision response algorithm is proposed to compute surface contact point. Cutting force model based on piecewise contact transition model is proposed for dental drilling simulation during tooth preparation. Velocity-driven levels of detail haptic rendering algorithm is proposed to maintain high update rate for complex scenes with a large number of triangles. Hapticvisual collocated dental training prototype is established using half-mirror solution. Typical dental operations have been realized including dental caries exploration, detection of boundary within dental cross-section plane, and dental drilling during tooth preparation. The haptic rendering method is a fundamental technology to improve immersion and interaction of virtual reality training systems, which is useful not only in dental training, but also in other surgical training systems. Supported by National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 60605027, 50575011), National High-Tech Research & Development Program of China (Grant No. 2007AA01Z310)     

一种新的基于体元剖分的软组织切割算法

切割是虚拟手术系统中需要表现的真实动作之一,真实感和实时性是衡量切割效果的关键．因此有必要研究一种新的基于体元剖分的软组织切割算法．该算法不同于以往的体元剖分算法,它将整个剖分过程分两步来完成：首先通过退化处理过程将不完全切割的四面体单元分解成多个完全切割的四面体单元;然后将切割情况进行分类,根据不同的切割情况分别进行相应的基元分解．实验表明,研究的新算法用于四面体单元的有限元模型,具有良好的切割处理效果．     

一般多边形的切割

一般多边形的切割在计算机辅助设计中应用很广泛，如在服装ＣＡＤ中对衣片的裁剪等，本文给出对一般多边形切割的算法，同时给出了一个 般我边形裁剪的较为简便有效的算法。     

一种有效的求解一维下料问题的启发式算法

使用了一种改进的顺序启发式算法,在排样方式的生成过程中不断修正当前排入毛坯的价值,使之趋于合理,依次选取求解背包函数获得的最大单位价值的排样方式组成当前排样方案,迭代调用该过程多次,最终选取最优的排样方案。在保证较高材料利用率的同时考虑减少排样方式,增加最后一根材料余料长度等多个优化目标。通过多组实验结果比较,证实了算法的有效性。     

玻璃切割系统的设计与实现

玻璃切割系统是玻璃行业用于切割各种玻璃的自动化的数控系统，介绍了玻璃切割系统JXGC的设计与实现，特别分析了其中采用的专门针对玻璃切割的CAD技术。     

有限元网格体绘制中的剖切算法

为了解决体绘制中的遮挡问题和加快复杂剖切体的剖切操作，在MS体绘制算法的基础上，研究和提出了一种体绘制中任意封闭多面体的剖切和多种变换函数，并进一步展现了数据场内部的数据分布情况，另外，由于通过二叉树对多剖切体情况下Stenceil参照值的合并，使得算法在每一切层上的绘制次数达到最少，同时还统一了剖切体前后表面Stencil操作，并减少了不必要的法线运算，从而大大加快了复杂剖切体的剖切操作。     

三维集成车削力传感器数据采集与分析系统设计

切削力与切屑形成、切削热、刀具磨损和切削振动等现象有着密切联系,是影响加工精度、刀具寿命和切削效率的重要因素.通过实时测量切削力,及时调整切削参数、优化切削工艺,对于保证加工质量、延长刀具寿命、提高切削效率等有着重要意义.切削力的准确测量和处理离不开优良的数据采集与分析系统,针对基于MEMS压阻式芯片的三维集成车削力传感器,以微处理器STM32为控制核心研制了一种三维集成车削力传感器数据采集与分析系统,实现了三维车削力的标定、实时采集和数据分析功能.     

基于网格的远程优化下料系统研究

结合分析传统优化下料技术存在的问题,提出基于网格的远程优化下料方法,把优化下料算法资源定义为网格服务资源,分布在广域网的计算机中,并以网格服务节点的形式表现,通过对各网格服务节点的调度,并行完成优化下料任务,进行选优。构建了远程优化下料系统,给出了该系统的体系结构和工作原理,对网格服务节点的实现方法进行了研究;开发了原型系统,实验表明,在提高优化下料的总体优化性能方面,系统效果明显。