人体软组织建模和穿刺仿真开题报告

 2022-01-14 10:01

全文总字数:3474字

1. 研究目的与意义及国内外研究现状

21世纪以来,计算机的发展迅速,同时计算机影像技术也在与日俱进,帮助人们完成对人体软组织的三维建模,而且可以利用仿真软件对其进行仿真,现在这部分已经成为了研究员主要的研究方向。众所周知,人体中除了骨头,水等物质外,大部分是人体的各种器官,肌肉和皮肤,这些都是人体软组织,所以在医学上对人体软组织的重建有非同寻常的意义,人们可以利用计算机非常轻松巧妙地重建人体软组织三维模型,从而进行仿真模拟,提高手术的效率和成功率,这无疑是人类医学的重大进步。经过数十年,甚至是一百年,人们对人体软组织的建模提出了很多种方法,比如质点弹簧法,有限元法,中心线描述法,锁甲形变法等诸多方法。在这么多方法中,有限元法是最能准确地重建人体软组织模型,但它需要强大的cpu,gpu,计算量巨大,所以它不能具有良好的实时性,相对于其它方法,它们虽然计算量不大,但具有良好的实时性,由此可见,准确性与实时性不可兼得,于是,人们需要不断探究更好的建模方法,同时发展计算机影像技术,既要提高准确性,又要提高实时性。

本文研究了两种人体软组织建模方法,分别为质点弹簧法和有限元法,继而分析穿刺算法实现穿刺仿真。现在,人们通过计算机、虚拟技术和辅助机器人等工具提高手术的成功率,如:核磁共振成像(mri,magnetic resonance imaging)、计算机断层扫描(ct,computed tomography)、正电子发射断层成像(pet,positron emission computedtomography)等医学影像技术,这些技术极大地提高了病人的治愈率以及现代医学技术的进步,它们清晰地呈现了体内器官的形态及变化,帮助医生准确做出判断,已经成为了临床医学不可或缺的工具,所以学习如何使用这些工具就有了很大意义。

国内外研究现状

对于人体软组织的建模,经过了这么多年的研究,到目前为止,主要有这2种比较主流和有效的方法:质点弹簧法和有限元法。

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2. 研究的基本内容

人体软组织的仿真模拟是医学虚拟现实技术的核心部分,手术仿真系统融合了计算机技术、计算机图像处理技术、人体器官特性分析、传感器技术、视觉技术和现代医学等技术,多方面模拟仿真,从而解决手术过程中的种种问题。同时,由于人体软组织和器官都具有高度的非线性、不均匀性和各向异性等特点,对其形变的建模还有很多困难。本课题的研究是对人体软组织的建模和穿刺仿真的模拟仿真,首先选择合适的建模方法,分别用质点弹簧法和有限元法来进行人体软组织建模,再提出穿刺算法,探究穿刺点,穿刺角度,穿刺路径规划等问题,并用计算机软件对其进行仿真模拟。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

首先对软组织进行建模,我们用拓扑结构来表示质点弹簧模型中各个质点之间的关联,这种结构能够较好地表示它们的连接方式和相对位置。我们将一段血管切割分成若干个相互独立的质点,并且这些质点的质量密度一样,每个质点之间用弹簧相互连接,由此成为了一个管状的拓扑整体,这种模型计算简单,实时性好,对血管模型的力学分析十分方便,同时又能很好地反应拓扑结构中的力学特性在血管模型中的响应。在质点弹簧法中分析方形拓扑结构和菱形拓扑结构,并用3Dmax软件进行建模,另外,在有限元法中,基于CT图像在Mimics中进行建模。穿刺方面,研究穿刺点,穿刺角度,穿刺路径规划等问题,再进行穿刺仿真。而且采用三维穿刺系统相对于传统的二维穿刺系统,具有准确性高、可控性好、手术成功率高等优点,可以很好地提高现在的医疗水准。

2019年1月8日:初步定下论文思路,提交开题报告。

2019年1月-2月:在指导老师的建议下,阅读学习相关资料,整理自己所写论文所需要的材料。

2019年3月:深入了解自己整理的资料,结合国内外研究成果玩论文初稿。

2019年4月:在指导老师的指导下,完成初稿的修改并最终定稿。

4. 参考文献

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[4].申瑞雪.穿刺手术中穿刺力建模与探针定位研究[D].哈尔滨工业大学.2016.

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