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。
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
| [1].Breen D, House D,Wozny M. Predicting thedrape of woven cloth using interacting particles[C]. Proc. Siggraph. NewYork: Acre Press.1994.365-372. [2].Brown J, Montgomery K, Latombe J C, et al. A microsurgerysimulation system[M]. Springer Berlin Heidelberg.2001.137–144. [3].吕朝顺.机器人辅助血管穿刺仿真研究[D].哈尔滨工业大学.2016. [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. [5].孙银山.基于三维超声图像的穿刺手术机器人辅助系统研究[D].哈尔滨工业大学.2011. [6].Duan X G, Bian G B, Zhao H H, et al. Amedical robot for needle placement therapy in liver cancer[J]. 浙江大学学报(英文版)(a辑:应用物理和工程).2010.11(4):263-269. [7].康亮, 赵春霞, 郭剑辉. 基于模糊滚动 RRT 算法的移动机器人路径规划[J]. 南京理工大学学报,2010, 34(5): 642-648. [8].郑浩峻, 姚望, 高德东等. 机器人辅助柔性针穿刺路径的悬臂梁预测模型[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2011(8): 1078-1083. [9]. 赵燕江, 张艳华, 陈浩, 等. 多种路径形式组合的柔性针二维路径优化[J]. 中国机械工程, 2013, 24(1): 6-11. [10]. Oldfield M, Dini D , Giordano G , et al. Detailed finite element modelling of deepneedle insertions into a soft tissue phantom using a cohesive approach[J].Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2013,16(5):530-543.
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