《面向虛擬手術的人體肝臟物理建模方法研究》是依託河北大學，由劉秀玲擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：面向虛擬手術的人體肝臟物理建模方法研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：劉秀玲
- 依託單位：河北大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
人體軟組織物理建模對虛擬手術系統具有舉足輕重的作用，如何在保證建模精確性的前提下提高建模效率是當前急需解決的關鍵問題。本項目以具有典型特徵的人體軟組織-肝臟為對象，擬建立滿足虛擬手術互動實時性的複雜軟組織物理建模方法。主要研究工作包括：（1）在表面模型的質點-彈簧系統基礎上，引入體彈簧，擴充表面格線拓撲結構，建立力表達策略，滿足模型的體行為模擬；（2）研究基於平面法線修正的體離散化方法，將表面元素的屬性設定與其所對應的內部體積產生聯繫，完成屬性動態分配；（3）通過真實軟組織生物力學實驗和參數分析，建立生物軟組織材料特性與模型參數之間的關係，明確各個參數設定的物理意義；（4）研究動態格線密度修正算法進一步提高動態建模的效果，最終實現人體軟組織系統的高效精確建模。本項目的研究為其它生物軟組織的物理建模方法的研究提供了有益的借鑑，其成果還可直接套用於手術導航、手術規劃等醫學圖像處理和仿真領域。
結題摘要
本研究以腹部CT圖像為基礎，通過肝臟輪廓自動提取，輪廓離散化和格線點的自動生成和最佳化算法建立了肝臟軟組織的表面幾何模型。在保證模型真實性的同時，減少了模型格線點數，為後面實時渲染軟組織的變形奠定了基礎。並在傳統質點彈簧模型的基礎上，加入了體彈簧控制，通過基於重心修正的體離散化方法解決了模型質點質量分配的問題。同時，在軟組織物理建模當中考慮了軟組織的阻尼特性和粘彈特性對軟組織形變的影響，使其在受力形變過程中更接近實際變化。通過設計真實肝臟的拉壓實驗和針穿刺實驗，建立了肝臟組織在此過程中的力與位移變化關係模型，通過模型推導和實際測量數據的分析，得到了真實肝臟組織的阻尼係數和粘彈係數，為物理建模中組織特性參數的設定提供了參考。並在ANSYS仿真環境下，建立了肝臟穿刺實驗的虛擬實驗模型，通過ANSYS固有模型分析和應力應變曲線測量，進一步驗證了真實肝臟穿刺實驗的可靠性。並基於AABB包圍盒算法實現了軟組織模型之間的快速碰撞檢測，通過改進三角形間相交測試算法、最佳化包圍盒樹更新策略和設計GPU加速算法，極大提升了碰撞檢測效率，縮短了碰撞檢測時間，實現碰撞實時渲染。
