面向生物醫(yī)學(xué)仿真的表面重建和四面體化技術(shù)研究.pdf

1、隨著生物醫(yī)學(xué)和計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展與相互結(jié)合,生物醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)已經(jīng)逐漸滲透到現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的各個方面。其中比較典型的例子是以虛擬手術(shù)系統(tǒng)為代表的相關(guān)課題研究。虛擬手術(shù)系統(tǒng)從醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)出發(fā),在計算機(jī)中構(gòu)造出生物組織空間模型,創(chuàng)造虛擬醫(yī)學(xué)環(huán)境,并仿真各種交互式手術(shù)過程,讓用戶產(chǎn)生一種身臨其境的體驗和感覺。虛擬手術(shù)系統(tǒng)在培訓(xùn)、導(dǎo)航以及術(shù)前預(yù)測等方面優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù),具備無污染、可重復(fù)利用和低消耗等特點,已成為學(xué)術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點之

2、一。
　　以虛擬手術(shù)系統(tǒng)為代表的生物醫(yī)學(xué)仿真涉及到醫(yī)學(xué)圖像處理、計算機(jī)圖形學(xué)、計算幾何以及生物力學(xué)等諸多學(xué)科,是一個綜合性較強的研究領(lǐng)域。針對不同的生物組織和仿真內(nèi)容,需要重點研究的方面也存在差異,本文試圖從較為通用的角度提出實現(xiàn)該系統(tǒng)的整體架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。重點研究生物組織的幾何建模技術(shù),包括表面重建技術(shù)、通用并行計算架構(gòu)(CUDA)下的交互式建模技術(shù)以及Delaunay三角化/四面化技術(shù)。
　　以虛擬內(nèi)窺鏡手術(shù)為背景,面向

3、培訓(xùn)學(xué)員、專家以及研究人員,提出了生物醫(yī)學(xué)仿真系統(tǒng)的整體架構(gòu)并探討了其中的關(guān)鍵技術(shù)。從仿真任務(wù)對實時性和真實性的不同要求出發(fā),設(shè)計了通用的幾何建模方案,同時滿足系統(tǒng)對表面模型和四面體實體模型的雙重需求。
　　對于生物組織表面重建技術(shù),從拓?fù)浜唾|(zhì)量兩個方面對Marching cubes(MC)算法進(jìn)行了研究與改進(jìn)。首先以33種擴(kuò)展剖分模式和雙曲線漸近線判別法為基礎(chǔ),通過構(gòu)建二義性檢測索引表,以簡單統(tǒng)一的方式同時解決MC算法的面二義性

4、和體二義性問題,得到了拓?fù)湔_的表面模型;然后引入單體素和基于邊組的質(zhì)量分析方法,從根本上解釋MC算法生成劣質(zhì)單元的原因,在此基礎(chǔ)上結(jié)合二義性檢測索引表,提出擴(kuò)展模式下的點偏移策略改進(jìn)網(wǎng)格質(zhì)量,得到了高質(zhì)量且拓?fù)湔_的表面模型。
　　在實時性建模方面,以交互式表面重建為目的,在保證網(wǎng)格質(zhì)量的基礎(chǔ)上,引入圖形處理器中的CLYDA架構(gòu),提出了兩種MC改進(jìn)算法。首先改進(jìn)點偏移策略,使其適應(yīng)CUDA并行模式,通過活躍體素和活躍邊的并行提取

5、、交點的并行計算等方式快速生成高質(zhì)量表面模型;然后以邊組概念為理論依據(jù),采用改變?nèi)瞧史炙饕淼姆绞酱纥c偏移進(jìn)行并行計算,將MC算法完全移植到圖形處理器中執(zhí)行,達(dá)到了高質(zhì)量交互式建模的目的。
　　在四面體實體建模方面,從理論和實驗出發(fā),對Delaunay refinement算法進(jìn)行研究與改進(jìn)。首先以真實性為主要目的,以MC算法得到的三角表面為邊界限定條件,提出了基于非弱相關(guān)點的改進(jìn)算法,適度放松輸入域的角度限制,并從理論上保證