碰撞接觸問(wèn)題中軟組織形變的建模與應(yīng)用.pdf

1、從計(jì)算機(jī)誕生至今,其應(yīng)用已經(jīng)遍布人類(lèi)生活的方方面面,從原始的科學(xué)計(jì)算到如今的日常娛樂(lè)都有計(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,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)領(lǐng)域中的虛擬手術(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。近幾年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,醫(yī)學(xué)領(lǐng)域迫切需要開(kāi)發(fā)出能夠模擬手術(shù)進(jìn)行的虛擬手術(shù)系統(tǒng),以應(yīng)用于教學(xué)、培訓(xùn)、診斷、術(shù)前計(jì)劃等多個(gè)領(lǐng)域。一個(gè)完整的虛擬手術(shù)系統(tǒng),涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字圖

2、像處理、計(jì)算機(jī)人機(jī)交互、軟組織形變計(jì)算等多方面的技術(shù)。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。而其中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的軟組織形變計(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。本文討論了虛擬脊柱手術(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脊柱手術(shù)系統(tǒng)中的應(yīng)用展開(kāi)詳細(xì)分析和實(shí)驗(yàn)?？紤]到人體脊柱軟組織(椎間盤(pán))的環(huán)-核結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)接觸非線(xiàn)性特性,為了兼顧計(jì)算的準(zhǔn)確

3、性和計(jì)算效率,重點(diǎn)研究討論了接觸有限元模型的實(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,根據(jù)研究對(duì)象在結(jié)構(gòu)和材料上的特點(diǎn),提出創(chuàng)新性的混合與簡(jiǎn)化計(jì)算方案,結(jié)合非線(xiàn)性的準(zhǔn)確性和簡(jiǎn)化模型的效率計(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)介紹了特殊結(jié)構(gòu)的三維網(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。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.詳細(xì)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,并重點(diǎn)針對(duì)接觸碰撞中的強(qiáng)非

4、線(xiàn)性問(wèn)題對(duì)有限元求解算法進(jìn)行整理簡(jiǎn)化和優(yōu)化。2.討論了有限元分析中特殊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型的建立與選取,以及不同網(wǎng)格劃分方法在具體使用中的區(qū)別和注意事項(xiàng)。3.本文對(duì)傳統(tǒng)碰撞接觸狀態(tài)下強(qiáng)非線(xiàn)性有限元的計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)化和改進(jìn),滿(mǎn)足了人體脊柱軟組織的特點(diǎn),提升了算法的計(jì)算效率。4.利用圖形顯示卡的并行計(jì)算特性進(jìn)行計(jì)算加速。5.建立驗(yàn)證手術(shù)形變模擬結(jié)果的較合理的機(jī)制,通過(guò)在真實(shí)醫(yī)療數(shù)據(jù)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該形變模擬的真實(shí)性和有效性。6.根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和結(jié)