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.

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。

基于触觉反馈的软组织形变仿真

目的本文以触觉反馈设备phantom为硬件基础,通过触觉渲染库OpenHaptics、图形库OpenGL和C++的混合编程构建基于触觉反馈的软组织形变系统。建立了读取OBJ格式图形文件的数据接口,赋予模型质点弹簧的物理意义,建立弹簧-阻尼器模型的力反馈算法,最后进行形变仿真实验。

虚拟肝脏重建与形变切割仿真

针对肝脏虚拟手术仿真对仿真场景逼真性、形变和切割仿真实时性的要求,提出虚拟体包络技术、基于解剖结构的边界条件设置以及双体素网格3种创新方法,根据肝脏的解剖结构重建肝脏仿真模型。对于肝脏模型外以面模型形式存在的管道模型,将其镶嵌在虚拟包络体模型中以实现形变和切割仿真。通过对肝脏表面解剖结构的分析,以及对肝脏约束形式进行合理简化,在肝脏韧带结构上设置边界限制标志。双体素网格方法在两层尺度不同的体素网格上重建肝脏仿真模型:原始模型表面在精细体素网格中重建,而切割面则在粗糙体素网格中构造,以此减少形变和切割仿真的计算量。仿真结果表明所用方法能在保持肝脏形变和切割仿真的真实感前提下提高仿真的运行速度。

基于隐式积分的树叶形变快速仿真

针对秋天树叶形变过程的仿真问题,在双层质点-弹簧模型的基础上,提出一种半过程半物理的树叶形变快速仿真算法.由于同时调节叶肉和叶脉弹簧系数会使得树叶形变不易控制,因此对叶脉和叶肉分开进行模拟:为叶脉设计一种目标形态,叶脉形变序列的中间形态可以通过对初态和终态的插值得到,叶肉会在叶脉形变引发的弹簧力的牵引下发生相应的形变,质点-弹簧系统会在阻尼的作用下趋于稳定,上述过程是一个不断循环迭代的过程;针对显式积分求解器求解时间过长和不稳定的缺点,采用大时间步长的隐式积分求解器以显著地提高系统的稳定性和求解效率.算法分析和实验结果表明,该算法可以稳定、快速、逼真地模拟秋天树叶老化过程中几何形态的变化过程.

快速可编辑的形变体仿真方法研究

形变体是基于物理的仿真方法中非常重要的研究对象,形变体的仿真效果依赖于形变体材质,其效率决定于求解大型线性方程组的维度。分析目前形变体仿真存在的问题和挑战,从材质模型的编辑方法到形变效率提升方法进行了梳理,提供了一个构建不同分辨率模型的简单离散化方法,并总结了形变体仿真未来发展的思路。

基于改进弹簧-质点模型的柔性绳索仿真

针对虚拟吊装训练系统中柔性绳索模拟仿真时存在的实时性、逼真程度较差等问题,基于物理建模提出了一种蜂窝状弹簧-质点模型应用于绳索形变仿真.该模型依据绳索细长、柔韧等特点,将传统正方形弹簧质点网格改进为蜂窝状弹簧-质点模型,其由多簇六边形立柱状弹簧-质点包围而成,绳索各部分质量均匀分布,质点间设置4种弹簧模拟绳索内部弯曲、扭转、拉伸等形变特性;为加快求解速度同时保证精度要求,使用改进的Verlet-梯形预测-校正法对数值计算进行求解.仿真结果表明,文中模型是可行的;数值计算结果表明,Verlet-梯形预测-校正法在效率、精度方面均优于其他数值计算方法.

一种基于弹簧振子模型的颅面软组织仿真算法

软组织仿真研究是利用计算机技术对真实软组织进行模拟以便研究,为医学工作者提供辅助和帮助科研工作者更好地进行虚拟手术。这方面的研究在国外已经较为普及,在国内尚处于起步阶段。软组织仿真算法已有多种成熟模型,其中较为代表性的有弹簧振子模型(MSS)和有限元模型(FEM)。在参阅了前人的研究基础上,选取了弹簧振子模型作为软组织仿真的物理形变模型,并对仿真算法进行编码和仿真实验,进而对实验效果进行分析,并提出改进之处。实验发现基于弹簧振子模型的软组织较好地实现了形变仿真的效果。

融合位置动力学的物理建模优化方法研究

为了满足物理建模的真实性和实时性要求,本文提出了一种基于虚拟手术系统中软组织形变仿真方法.该方法将弹簧力、系统外力与位置动力学的约束函数产生的约束力相结合,在位置动力学的基础上加入了改进的三参量质点弹簧模型,在弹力计算中引入了软组织的非线性、粘弹性,并参与约束投影过程,与位置动力学约束力的合力修正质点运动.该方法既考虑了软组织作为有机高聚物的粘弹性、非线性、不可压缩性等生物力学特性,同时又保留了位置的动力学方法的快速性及稳定性.通过仿真数据,得到改进的三参量模型中四面体网格划分的最佳边长,证明了该模型的蠕变和松弛特性.利用Geomagic Touch力反馈设备完成肝脏等器官的实时模拟,证明了此方法的实用性和有效性.

基于虚拟现实技术的膝关节微创手术规培系统的研发

目的:基于虚拟现实(VR)技术的膝关节微创手术规培系统是专门用于初学者了解膝关节腔内组织结构,并熟练掌握膝关节微创手术全过程的虚拟现实培训平台。方法:其主要模块包括医学数据的可视化、膝关节腔内组织动态模型、膝关节腔内组织器官的应力形变仿真、模拟微创手术案例展示、力反馈和传感器应用、高速图形显示与图像处理等。结果:VR技术可以通过计算机仿真模拟膝关节微创手术培训过程,系统达到了设计目标。结论:系统为初学者熟练掌握膝关节微创手术技能,提供了良好的培训平台,同时也为我国医学教育技术创新与进步起到了抛砖引玉的作用。

基于自适应混合肝脏模型的建立

基于黏弹性力学模型,建立一种自适应无网格迦辽金与广义表面网格混合模型。手术区采用自适应无网格迦辽金法,非手术区采用广义表面网格法,在手术区域和非手术区域之间建立过渡区域,过渡结点满足力和位移的平衡,以实现两个区域的无缝耦合。基于此模型,对人体肝脏进行形变仿真实验。实验表明,该模型在与无网格迦辽金模型形变状况相同的前提下,单步执行时间由17.4 ms降低到12.9 ms,帧频由57.47帧/s提高到77.52帧/s。该模型继承了无网格迦辽金模型的优点,同时提高了模型的实时性。

面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统

在对细胞、生物大分子等柔软样品进行纳米操作时,原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)面临缺乏实时视觉反馈的问题.为此,搭建了一套面向柔软样品的AFM纳米操作可视化系统.具体而言,首先建立了AFM形貌图像坐标系到虚拟场景坐标系之间的映射关系,从而得到虚拟场景中样品的顶点信息,进而通过3维图形引擎渲染样品的虚拟形貌.在此基础上,提出了一种基于接触力学理论的样品形变估计和仿真方法,对探针按压导致的样品形变进行了虚拟视觉反馈,从而使得刻画的虚拟形貌能够和样品的真实形貌保持一致,并准确地还原按压过程中样品表面的形貌变化.仿真和实验结果表明,所设计的纳米操作可视化系统能够在虚拟场景中实时呈现AFM纳米操作过程.