軟組織非線性形變快速模型與應(yīng)用.pdf

1、從計(jì)算機(jī)誕生至今，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)遍布人們生活的方方面面，從科學(xué)計(jì)算到日常娛樂無(wú)不有計(jì)算機(jī)的影子。計(jì)算機(jī)的發(fā)展加速了不同學(xué)科交流融合的步伐，如今數(shù)學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)等都與計(jì)算機(jī)科學(xué)有著密切聯(lián)系，而醫(yī)學(xué)虛擬手術(shù)模擬系統(tǒng)更是將這些學(xué)科全部有機(jī)地結(jié)合在一起。虛擬手術(shù)系統(tǒng)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種，與人體軟組織的三維建模都已經(jīng)成為是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的重要研究課題。而其中的軟組織形變計(jì)算研究也是實(shí)時(shí)虛擬手術(shù)系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)中最具挑戰(zhàn)性的內(nèi)容。

2、 本文研究了虛擬整形手術(shù)系統(tǒng)的需求分析及模塊設(shè)計(jì)，并對(duì)其中的軟組織形變仿真及其在虛擬手術(shù)系統(tǒng)中的應(yīng)用展開詳細(xì)分析和實(shí)驗(yàn)。考慮到軟組織的非線性特性，為了兼顧計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，重點(diǎn)研究討論了非線性有限元模型的實(shí)現(xiàn)及其改進(jìn)方案。本研究在傳統(tǒng)有限元計(jì)算的基礎(chǔ)上，提出創(chuàng)新性的混合計(jì)算方案，結(jié)合線性的快速和非線性的準(zhǔn)確性計(jì)算軟組織形變，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性和效率；同時(shí)介紹了三維網(wǎng)格重建算法、圖形處理單元的并行計(jì)算加速、人機(jī)交互技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容。

3、 本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：①討論了有限元方法、相關(guān)的力學(xué)概念以及對(duì)應(yīng)的數(shù)值解法，并針對(duì)大形變和材料的非線性問題對(duì)求解算法進(jìn)行整理優(yōu)化。②討論了有限元分析中網(wǎng)格模型的建立與選取。③在幾何非線性和材料非線性的混合非線性求解算法中融合了線性近似的計(jì)算，提升算法的計(jì)算效率。④利用圖形顯示卡的并行計(jì)算特性進(jìn)行程序優(yōu)化。⑤建立驗(yàn)證模擬結(jié)果的較合理的機(jī)制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證形變模擬的真實(shí)性和有效性。⑥根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)論，選取適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格模型，并對(duì)算法