人体软组织力学模型建立及参数获取Word下载.doc

1、常规的质量一弹簧模型求解方法是欧拉迭代方法，系统参数比较多，收敛性、精确性较差。本文在实验室前期工作基础上，在能够保证系统收敛的参数范围中，运用程序进行优化，寻求能够提高模型的精度的参数。关键词：软组织形变模型；质量弹簧模型；肝脏组织参数获取Human Soft Tissue Mechanics Model and Parameters ObtainedABSTRACTIn the process of human soft tissue deformation simulation, the system must ensure stability and meet the deformat

2、ion effect accuracy requirements; at the same time, since the system must guarantee the real-time interaction, and therefore the most important time is one of the requirements for soft tissue deformation. Therefore, simulation of virtual operation of human soft tissue deformation must satisfy the st

3、ability, accuracy and real-time requirements. This paper will be required from the above three aspects, to study human virtual operation simulation system of soft tissue deformation technology.The soft tissue of the body elastic model is used to model the deformation of soft tissue deformation model

4、ling. With the development of computer operation speed and biomechanical improvement, physical deformation model has great development, has a mass-spring model and finite element model. This paper focuses on the particle model.The quality of a spring model in this paper is to consider the discrete o

5、bject model. The quality of a spring model method is the routine Euler iterative method, more system parameters, poor convergence, accuracy. In this paper, based on previous work in the laboratory, can guarantee the convergence of the parameter range, use the process optimization, seeking to improve

6、 the precision of the parameter model.Key words: soft tissue deformation model; mass-spring model; acquire the liver tissue parameters 目录1绪论11.1课题研究背景和意义11.2国内外研究现状12 质点-弹簧模型32.1软组织形变技术介绍32.2软组织的物理特性32.3质点-弹簧模型建立43 弹簧质量模型参数获取83.1真实材质参数获取实验及数据分析83.2 弹簧参数确定93.3 质点参数的确定93.4弹性系数的模拟算法实现113.5质点质量的模拟算法实现11

7、3.6 模拟算法实现124总结与展望154.1论文工作的总结154.2今后研究工作的展望15参考文献16致谢17附 录181绪论1.1课题研究背景和意义计算机图形及生物力学领域的发展，给医学模拟的研究带来越来越多的吸引力。可视化的研究以及信息技术的飞速进步促进了虚拟现实技术的发展，虚拟现实（VR，nual Realitv），是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟手术系统是虚拟现实技术在现代医学中的应用。它是一个融合计算机技术、计算机图形学、传感器技术、生物力学、现代医学、图像处理、计算机视觉、机器人学、科学计算可视化等学科的多学科交叉研究领域。虚拟手术系统是一个专门用来模拟在手术过程中

8、可能遇到的各种现象的虚拟现实应用系统，所涉及的内容包括医学数据的交互与可视化，以及对于组织器官变形的模拟和各种感官反馈的模拟。它通过精确的人体组织器官造型（几何建模和物理、生理建模），来逼真地模拟组织器官在手术器械的外力交互作用下变形乃至被切割的过程，并通过视觉、听觉、触觉反馈以及其他通道的感观反馈形式来提供逼真的手术感觉。自上个世纪80年代末90年代初开始，由于外科手术新技术的发展推动了手术仿真系统的研究，该研究领域越来越受到研究人员的关注。虚拟手术系统作为外科医生的训练器和手术计划工具，在做科学分析是可以用来验证一个物理假设的实际可行性；在做手术计划时可以模拟实际的操作过程。一在虚拟手术系

9、统中，对组织器官建模和操作的能力是非常关键的部分。用于医学仿真操作的模型，必须具有和人体组织类似的形状和结构，在手术刀切割等外界条件下，才能够比较真实地反映出真实人体的反应和形变，因为在很多手术中，如面部手术，模拟的结果会影响到审美效果，所以要求具有相当高的精度。在计算机图形学中对于形变物体建模的研究已有二十多年历史，也涉及到很多应用领域。在计算机辅助设计和计算机绘图领域，人们用形变模型来创建和编辑复杂的曲线、曲面和固体结构。计算机辅助设计使用形变模型来模拟布料的皱褶。在图像分析领域，形变模型被用来分割图像，以及把曲面映射到噪声图像数据中，形变模型也已用在动画中，尤其用于显示服装、脸部表情和人

10、与动物的特征。尽管计算机图形学领域已出现许多计算物体形变的算法，但这些算法通常不考虑形变的物理规律。同时，生物力学领域的研究者也逐渐提出了许多复杂的高等数学模型，产生了准确描述软组织形变的大量试验数据。随着计算机性能的不断提高，在手术模拟和训练系统中也就有可能对复杂的（非线性的）形变组织建立实时逼真的模型。1.2国内外研究现状人体软组织弹性模型在国内外并没有被单独的提出来进行研究，它只是形变模型在人体软组织建模方面的一个应用领域，同时人体软组织模拟也是形变物体建模中一个十分具有挑战性的模块。软组织的复杂的生物力学特性，为计算机建立形变模型带来了一定的困难。人体软组织的三维建模技术是医学虚拟现实

11、技术中最重要的部分，同时也是制约虚拟手术仿真等技术的关键技术。当前对于虚拟人体软组织建模技术的研究，国际上已经提出了五种较为有效的建模方法：（1）FEM（Finite Element Method），即有限元法，使用非常普遍，它的思想来源于工程力学。这种方法是把形变物体看作是一系列弹性模型的集合。（2）FFD（Free Form Deformation），它是一种简单、通用的基于Spline方法的三维形变模型。由于在一个Spline Volume中要控制大量的Spline控制点比较困难，在很多时候需要大量的人机交互来实现，这样就影响了该方法的效率。所以，FFD是一种使用较少的模型。（3）MSS

12、（Mass-Spring System），即质点一弹簧法，这种方法通常是把形变物体看作是一系列质量点的集合，并以为这些质量点之间是通过弹簧相互连接。它将软组织建模为很多的带有弹簧的质点网络结构，压缩或者拉伸时通过弹簧的弹性系数来实现形变。（4）MRep（Medial Representation），即中心线描述法，由北卡罗来纳大学的Pizer教授所提出，目前仍然在完善发展之中，它是采用了中心原子（Medial Atom）来承载大量几何信息的表示方法来实现软组织可变形的建模。它的缺点是对于形变容易出现大的偏差。（5）BEM（Boundary Element Method），即边界元法，由Jame

13、s脚3提出的基于边界元的物理模型方法是一种适合于计算机图形学建模与计算的方法。边界元方法只需要物体模型表面的几何信息，可直接利用物体表面的几何网格模型作为计算单元，不需要另外将物体内部划分为单元网格。基于线弹性边界元技术在建模和计算能力方面表现出其优势，但是边界元模型也存在一些问题，其计算量随着物体模型的复杂度增加，对于大尺寸或细节丰富的模型计算性能降低。同时，由于其基于线弹性物理模型，往往使得视觉效果所需的大变形产生失真。与国外研究情况相比，国内的研究还是刚刚起步，主要问题还是集中于对三维物体重建，对手术过程中的仿真碰撞以及软组织形变仿真方面的研究。浙江大学、清华大学、中科院软件所、中科院自

14、动化所等单位也都相应的开展了虚拟手术仿真的研究，研究工作集中在对医学图像的三维重建及其可视化等基础技术方面。浙江大学提出了一个基于粘弹性模型的生物体软组织变形模型，但是没有形成一个比较全面（如：集成力反馈系统）且实用的虚拟手术仿真系统。2 质点-弹簧模型2.1软组织形变技术介绍人体软组织形变技术是虚拟手术仿真系统的关键技术，因此，开发虚拟手术仿真系统首先要对人体软组织的形变模型进行研究。人体软组织形变模型的研究可以追溯到上世纪80年代开始的形变模型的研究。早期的形变模型是一些运用纯几何技术的非物理模型，主要用于计算机辅助几何设计领域，这其中较为著名的有：Sederberg和Parry提出的自由式形变模型阳，Gibson提出的3D ChainMail模型。许多研究学者认为实现真实感交互的关键所在是虚拟人体的物理建模。由于软组织在人体中占据很大的比例，众多研究人员也将物理建模的研究对象集中在人体软组织的物理建模上物理模型描述了软组织如何与虚拟的医疗器械进行交互的过程，其主要研究目的为璐咱1：研究和仿真人体软组织在受到外力的作用时所产生的相应形变，从而使得虚拟手术中的力反馈成为可能。目前，软组织的物理模型可以分为三类：线弹性模型、不可压缩模型、非线性模型。对人体器官尤其是软组织形变的模拟是虚拟手术仿真系统中最重要的技术