检索结果-内蒙古大学图书馆

生物医学工程学杂志 2022年第3期39卷 480-487页

作者：李妍夏泽洋吴晓君熊璟中国科学院深圳先进技术研究院广东深圳51055 西安建筑科技大学机电工程学院西安710055

超声引导的经皮介入治疗已在临床中得到了广泛应用。针对机器人辅助的超声引导治疗中探头接触力引起软组织形变的问题,提出一种考虑软组织形变的实时无参考超声图像综合评估方法。所提方法在超声图像亮度和锐度评估的基础上,融合组织或... 详细信息

超声引导的经皮介入治疗已在临床中得到了广泛应用。针对机器人辅助的超声引导治疗中探头接触力引起软组织形变的问题,提出一种考虑软组织形变的实时无参考超声图像综合评估方法。所提方法在超声图像亮度和锐度评估的基础上,融合组织或腺体的聚集特性设计了一种多维度的超声图像评价指标。为了验证所提方法的有效性,分别采集前列腺体模、内置囊肿的体模、猪肝脏组织,以及内置囊肿的猪肝脏组织4种不同模型的超声图像进行实验测试与分析,并基于斯皮尔曼秩相关系数分析了主客观评价的相关性。实验结果表明单幅图像的平均评估时间为68.8 ms,满足实时应用的需要。本文所提方法实现了机器人辅助治疗中实时超声图像的有效评估,并且评估结果与主观评价具有良好的一致性。

关键词：超声图像质量评估软组织形变相关系数

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软组织形变模型的自适应网格细分算法

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河北大学学报（自然科学版） 2013年第3期33卷 312-316,323页

作者：刘秀玲陈栋董亚龙董斌王洪瑞河北大学电子信息工程学院医工交叉研究中心河北保定071002 河北大学附属医院计算机中心河北保定071000

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... 详细信息

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.

关键词：自适应网格细分平滑优化软组织形变

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虚拟手术中软组织形变建模及力反馈算法研究

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中国生物医学工程学报 2013年第1期32卷 114-118,123页

作者：陈卫东赵成龙朱奇光关永贞燕山大学信息科学与工程学院河北省特种光纤与光纤传感重点实验室海军91821部队

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... 详细信息

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。

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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基于局部动态模型的软组织形变建模与仿真

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计算机科学 2013年第10期40卷 283-288页

作者：李艳东朱玲叶秀芬孙明齐齐哈尔大学计算机与控制工程学院齐齐哈尔161006 哈尔滨工程大学自动化学院哈尔滨150001

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"... 详细信息

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。

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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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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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2024年第11期57卷 1152-1160页

作者：姜杉宋雨菲杨志永曾静天津大学机械工程学院天津300350 天津市中心妇产科医院妇瘤科天津300071

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... 详细信息

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.

关键词：虚拟手术软组织形变填充球模型

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虚拟手术仿真中人体软组织形变技术的研究

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计算机应用 2009年第2期29卷 568-573页

作者：叶秀芬乔冰郭书祥郭庆昌哈尔滨工程大学自动化学院哈尔滨150001 中国船舶重工集团公司第七一○研究所湖北宜昌443003

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... 详细信息

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。

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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虚拟手术中软组织形变建模方法的研究

虚拟手术中软组织形变建模方法的研究

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作者：张建国哈尔滨工程大学

学位级别：博士

随着计算机技术的快速发展和临床医疗水平的不断提升,虚拟手术系统已成为外科手术训练、术中导航、手术方案制定以及手术结果预测等方面不可或缺的辅助工具。然而,由于虚拟手术系统的研究属于多学科交叉的前沿技术领域,因而研究难度较... 详细信息

随着计算机技术的快速发展和临床医疗水平的不断提升,虚拟手术系统已成为外科手术训练、术中导航、手术方案制定以及手术结果预测等方面不可或缺的辅助工具。然而,由于虚拟手术系统的研究属于多学科交叉的前沿技术领域,因而研究难度较大。作为虚拟手术系统中的核心部分,研究高度逼真的软组织形变建模方法对于突破传统手术训练中的诸多限制、制定最佳手术方案以及提高手术成功率等方面均具有十分重要的意义。因此,本文以虚拟手术系统中的软组织形变建模作为研究内容,紧紧围绕软组织形变的视觉真实性和实时性展开深入的研究,主要工作如下:首先,论文对人体软组织在外力作用下的生物力学特性进行了分析,并给出了能够反映人体软组织粘弹性特性的常用模型,为深入研究真实的软组织形变建模方法奠定了理论基础。在软组织几何建模方面,针对使用Amira软件重建得到的人体软组织模型视觉真实性不足的问题,提出了基于软组织模型包围盒的顶点纹理坐标计算方法,并对模型数据的存储方法进行了研究。此外,论文还研究了基于Sphere和AABB的混合层次包围盒方法以实现虚拟手术器械和软组织模型之间的快速相交测试,并通过实验验证了本文所提出的混合层次包围盒方法能够在一定程度上提升碰撞检测的效率。最后介绍了虚拟手术中的触觉反馈技术,通过研究、分析基于弹簧-阻尼器与基于纹理的反馈力计算方法可知,基于纹理的反馈力计算方法具有更高的触觉真实性。其次,论文研究了基于质点-弹簧形变模型的软组织形变方法,针对现有形变模型仅考虑结构和弯曲弹簧从而导致在形变过程中可能出现的塌陷和“超弹”等问题,提出基于自构弹簧的改进形变模型来提高软组织形变的真实性。此外,论文还研究了软组织形变计算过程中常用的数值积分方法,并通过仿真实验验证了隐式欧拉积分法在较大的时间步长下仍具有较高的数值解算精度。为克服全局质点-弹簧模型中形变实时性较差的问题,论文提出了基于碰撞检测技术的局部形变方法,并对局部形变区域的层次包围盒树反向更新方法进行了深入研究。基于胃模型的仿真实验结果表明,本文所提出的局部质点-弹簧形变模型极大地降低了形变的计算开销,在保证形变真实性的前提下进一步提升了系统的实时性。再次,论文对基于Co-rotational FEM的软组织形变方法进行了深入的研究,并介绍了软组织面模型四面体化的常用工具。针对基于Co-rotational FEM的软组织形变模型计算开销较大的问题,研究了基于多分辨率技术的变形加速方法,从而实现复杂程度较高的软组织模型的实时变形仿真。此外,论文还研究了形变计算过程中四面体旋转矩阵的提取方法,针对极分解方法计算开销较大无法保证软组织形变实时性的问题,提出了基于软组织形变程度的自适应旋转矩阵提取方法。对形变程度大的四面体采用极分解方法来确保形变效果的真实性;对于形变程度小、甚至没有形变的四面体则采用正交分解方法来保证形变计算的实时性。基于心脏模型的仿真实验结果表明,本文提出的根据软组织形变程度的自适应旋转矩阵提取方法能够在保证较高的形变精度前提下,快速地完成四面体的旋转矩阵提取过程。论文最后对主从式血管介入手术训练系统中的血管形变建模这一关键技术进行了研究。针对血管几何模型拥有大量四面体单元无法快速进行碰撞检测的问题,论文提出了面模型与体模型相结合的血管几何模型,从而可以将碰撞检测与形变计算分别进行处理。此外,论文还研究了基于位置动力学的血管形变方法并对体积守恒约束进行了推导和编程实现以解决血管模型在变形过程中的穿透问题。针对在形变计算中额外地考虑体积守恒约束导致血管形变计算开销剧增的问题,提出了基于空间划分的血管快速形变方法,以提升数值解算的实时性。仿真实验结果表明,体积约束能够较好地解决血管模型在形变过程中的穿透问题,与此同时,基于空间划分的血管快速形变方法能够在保证血管形变真实性的基础上,提升形变的实时性。

关键词：软组织形变混合包围盒质点-弹簧共旋有限元位置动力学

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基于实测数据的软组织形变系统辨识方法

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哈尔滨理工大学学报 2019年第4期24卷 78-83页

作者：温泽宇李杰哈尔滨理工大学学术理论研究部黑龙江哈尔滨150080 哈尔滨工程大学自动化学院黑龙江哈尔滨150001

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-SV... 详细信息

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。

关键词：软组织形变物理建模系统辨识

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基于无网格方法的软组织形变与切割建模研究

基于无网格方法的软组织形变与切割建模研究

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作者：周建勇南昌大学

学位级别：博士

随着虚拟技术和计算机技术的发展,人们将其与医学专业结合起来,设计出医学仿真系统。虚拟外科手术系统的研发成为当今国内外的一个热点研究课题,其中的人体软组织建模也是一项重要研究内容。本论文研究以无网格方法为其础对人体软组组... 详细信息

随着虚拟技术和计算机技术的发展,人们将其与医学专业结合起来,设计出医学仿真系统。虚拟外科手术系统的研发成为当今国内外的一个热点研究课题,其中的人体软组织建模也是一项重要研究内容。本论文研究以无网格方法为其础对人体软组组织形变进行建模,当外力作用在虚拟软组织上时,可以快速实时地获得形变结果,同时充分发挥无网格方法建模适应性强的优势,对软组织的切割形变也进行了模拟分析。无网格建模方法是将软组织看成一个问题域,在问题域里布置大量离散的节点,通过形函数将节点联系起来建立刚度矩阵进而构建描述软组织材料力学性能的近似函数模型,由函数模型获得的全部节点位移就可以用来表现软组织的形变。为了能更好地理解和应用无网格方法,先分析典型的建模方法---有限元建模,考虑到建模过程中会涉及到软组织的材质特性,为此研究了软组织材质特性的测量方法。之后采用局部无网格法进行了对软组织形变进行了二维简化建模的尝试,取得了比较好的结果。有了这些知识储备,研究应用全局无网格法对软组织进行三维建模,通过建模获得模型函数,经求解可以得到全部节点位移表现的软组织形变。但是模型函数的计算求解过程非常耗时,不能满足虚拟手术中实时表现虚拟软组织形变的需要。为了解决这一问题,在本论文中提出引入麦夸特算法预先拟合出通过无网格软组织模型得到的受力与全部节点位移之间的数学关系式。在虚拟手术中,当软组织受力时,只要即时调用这种拟合数学关系式,就可以把软组织的形变表现出来。为了证明这一方法的可行性,在本论文中设计了一个实验。采用一个48mm×48mm×6mm并加入肝脏弹性模量的几何模型代替软组织,用若干个0～1N范围内的空间力施加在该几何模型上,计算出与所施空间力对应的全部节点位移。由麦夸特算法拟合出力与形变的数学关系式,通过这种数学关系式不但可以快速得到节点位移,还得到了由节点位移拟合的曲面以直观地表现软组织的形变。实验结果表明,每次计算形变平均耗时0.1509秒,形变最大误差小于0.5mm。在论文的最后部分应用全局无网格方法分析计算切割形变,其核心思路是将切割路径经过的节点看成是两个节点的重合,将刀刃对切割路径两侧的挤压为自然边界条件代入全局无网格的计算方程,这样形变就可计算得到了,最后通过MATLAB表现开放切口和封闭切口的形变以及用FORTRAN语言设计了一个动态切割测试程序。

关键词：虚拟手术系统有限元形函数局部无网格法全局无网格法模型函数软组织形变切割形变

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基于网格-无网格模型的软组织形变方法

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中国科技论文 2019年第7期14卷 803-807页

作者：王娜陈国栋许少剑福建师范大学福清分校电子与信息工程学院福州350300 福建师范大学福清分校无损检测技术福建省高等学校重点实验室福州350300 福建师范大学福清分校非遗数字化与多源信息融合福建省高校工程研究中心福州350300 福州大学物理与信息工程学院福州350108

针对传统软组织形变方法中真实感与实时性难以平衡的问题,提出了一种基于网格与无网格混合的软组织形变方法。在大变形的手术区域采用无网格方法,在小变形的手术区域采用基于质点弹簧的网格方法,充分发挥两者的优势,达到真实感与实时性... 详细信息

针对传统软组织形变方法中真实感与实时性难以平衡的问题,提出了一种基于网格与无网格混合的软组织形变方法。在大变形的手术区域采用无网格方法,在小变形的手术区域采用基于质点弹簧的网格方法,充分发挥两者的优势,达到真实感与实时性要求。实验结果表明,基于网格与无网格混合的形变方法具有较高的计算效率,且形变效果较好,能够满足虚拟手术仿真的操作流畅性,增强虚拟手术仿真的真实感。

关键词：虚拟手术软组织形变质点弹簧模型无网格模型混合模型

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