碰撞接觸問題中軟組織形變的建模與應用.pdf

1、從計算機誕生至今,其應用已經(jīng)遍布人類生活的方方面面,從原始的科學計算到如今的日常娛樂都有計算機的影子。計算機的發(fā)展加速了不同學科交流融合,如今數(shù)學、物理、生物、醫(yī)學等都與計算機科學有著密切聯(lián)系,而醫(yī)學領域中的虛擬手術模擬系統(tǒng)更是將這些學科全部有機地結合在一起。近幾年來,隨著計算機技術的發(fā)展,醫(yī)學領域迫切需要開發(fā)出能夠模擬手術進行的虛擬手術系統(tǒng),以應用于教學、培訓、診斷、術前計劃等多個領域。一個完整的虛擬手術系統(tǒng),涉及計算機圖形學、數(shù)字圖

2、像處理、計算機人機交互、軟組織形變計算等多方面的技術。虛擬手術系統(tǒng)作為虛擬現(xiàn)實技術的一種,與人體軟組織的三維建模都已經(jīng)成為是計算機圖形學的重要研究課題。而其中結構復雜的軟組織形變計算研究也是實時虛擬手術系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)中最具挑戰(zhàn)性的內(nèi)容。本文討論了虛擬脊柱手術系統(tǒng)的需求分析及模塊設計,并對其中的軟組織形變仿真及其在脊柱手術系統(tǒng)中的應用展開詳細分析和實驗?？紤]到人體脊柱軟組織(椎間盤)的環(huán)-核結構及其強接觸非線性特性,為了兼顧計算的準確

3、性和計算效率,重點研究討論了接觸有限元模型的實現(xiàn)及其改進方案。本研究在傳統(tǒng)有限元計算的基礎上,根據(jù)研究對象在結構和材料上的特點,提出創(chuàng)新性的混合與簡化計算方案,結合非線性的準確性和簡化模型的效率計算軟組織形變,并實驗驗證其可行性和效率;同時介紹了特殊結構的三維網(wǎng)格重建算法、圖形處理單元的并行計算加速、人機交互技術等相關內(nèi)容。本文的主要工作和創(chuàng)新點如下:1.詳細討論了有限元方法、相關的力學概念以及對應的數(shù)值解法,并重點針對接觸碰撞中的強非

4、線性問題對有限元求解算法進行整理簡化和優(yōu)化。2.討論了有限元分析中特殊結構網(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。3.本文對傳統(tǒng)碰撞接觸狀態(tài)下強非線性有限元的計算進行了簡化和改進,滿足了人體脊柱軟組織的特點,提升了算法的計算效率。4.利用圖形顯示卡的并行計算特性進行計算加速。5.建立驗證手術形變模擬結果的較合理的機制,通過在真實醫(yī)療數(shù)據(jù)上進行實驗來驗證該形變模擬的真實性和有效性。6.根據(jù)實際實驗的結果和結