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Haptic Modeling and Rendering Based on Neurofuzzy Rules for Surgical Cutting Simulation

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自动化学报 2006年第2期32卷 193-199页

作者： SONG Wei-Guo YUAN Kui FU Yu-Jin Institute of Automation Chinese Academy of Sciences Beijing 100080

This paper combines image processing with 3D magnetic tracking method to develop a scalpel for haptic simulation in surgical cutting. First, a cutting parameter acquisition setup is presented and the performance is validated from soft tissue cutting. Then, based on the acquired input-output data pairs, a method for fuzzy system modeling is presented, that is, after partitioning each input space equally and giving the premises and the total number of fuzzy rules, the consequent parameters and the fuzzy membership functions (MF) of the input variables are learned and optimized via a neurofuzzy modeling technique. Finally, a haptic scalpel implemented with the established cutting model is described. Preliminary results show the feasibility of the haptic display system for real-time interaction.

关键词：图象处理模糊神经网络切割模拟触觉显示

虚拟手术中基于凸多边形的软组织切割算法研究

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系统仿真学报 2012年第9期24卷 1887-1891页

作者：王洪瑞陈利敏赵冰王洪斌燕山大学工业计算机控制工程河北省重点实验室秦皇岛066004

虚拟手术仿真系统为医学教学提供了一种方便、廉价、有效的方法。切割模拟是该系统重要组成部分,影响整个系统的实时性和真实性,因此对整个切割过程进行深入研究并提出了基于凸多边形的切割算法。首先通过遍历优化索引结构后的八叉树来... 详细信息

虚拟手术仿真系统为医学教学提供了一种方便、廉价、有效的方法。切割模拟是该系统重要组成部分,影响整个系统的实时性和真实性,因此对整个切割过程进行深入研究并提出了基于凸多边形的切割算法。首先通过遍历优化索引结构后的八叉树来寻找切割起点,由起点开始,以切割轨迹为参照,采用邻居搜索策略寻找所有被切割的三角形,然后通过引入辅助单元组成凸多边形,再对凸多边形进行三角剖分,以实现网格重构。实验证明新的剖分算法抑制了模型单元数量的急剧增长,提高了三角形重构的质量。

关键词：虚拟手术切割模拟三角剖分凸多边形

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虚拟手术中顶点复制切割算法的设计研究

小型微型计算机系统 2010年第5期31卷 959-963页

作者：郁松樊晓平廖志芳中南大学信息科学与工程学院湖南长沙410083 中南大学软件学院湖南长沙410075

为了解决虚拟内镜手术中软体组织切割模拟仿真问题,论述并实现了虚拟手术中软组织切割仿真技术.使用四面体网格模型,利用刀具移动简化模型,构造用于切割操作的切割树,设计了通过划分切割区域,复制和移动顶点,在实现切割分裂时,减少网格... 详细信息

为了解决虚拟内镜手术中软体组织切割模拟仿真问题,论述并实现了虚拟手术中软组织切割仿真技术.使用四面体网格模型,利用刀具移动简化模型,构造用于切割操作的切割树,设计了通过划分切割区域,复制和移动顶点,在实现切割分裂时,减少网格单元结构数量增加的切割分裂和切割细化算法.通过仿真实验,文中算法的耗时与切割长度程线性关系;使用该算法实施切割后,网格结构中单元结构数量的增加相比传统的算法有明显减少.

关键词：虚拟手术手术仿真软组织四面体切割模拟顶点复制

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基于快速有限元法的虚拟手术技术研究

基于快速有限元法的虚拟手术技术研究

作者：王广伟西南交通大学

学位级别：硕士

随着计算机技术的迅速发展,计算机应用技术渗透到社会生活的各个领域,虚拟现实技术结合现代医学便产生了虚拟手术系统。虚拟手术系统是一个融合了计算机技术、计算机图形学、传感器技术、生物力学、现代医学、图像处理、机器人学、科学... 详细信息

随着计算机技术的迅速发展,计算机应用技术渗透到社会生活的各个领域,虚拟现实技术结合现代医学便产生了虚拟手术系统。虚拟手术系统是一个融合了计算机技术、计算机图形学、传感器技术、生物力学、现代医学、图像处理、机器人学、科学计算可视化等的多学科交叉研究领域。虚拟手术系统研究的宗旨在为外科医生提供可以反复使用的训练和模拟工具,可应用于手术规划、手术演练和进一步的实际手术,对于先进的手术方式推广起了很好的促进作用。论文在综述了虚拟手术系统构造。在此的基础上,对虚拟手术的几个关键技术:碰撞检测、几何建模、计算建模、形变模拟、切割模拟等进行了深入的研究和探讨,具体有以下几个方面: 1)在碰撞检测方面,采用AABB包围盒构建二叉树,并能根据手术对象的变化,对二叉树进行有效的更新。 2)在几何建模方面,采用了基于空间四面体的重构算法,并针对大脑皮层的特殊结构,采用了一种比较简单的重构算法。 3)在力学计算建模方面,采用有限元算法用于形变和切割模拟,克服了弹簧振子模型的局限性,可以获得较高的计算精度和稳定的求解结果。 4)在形变模拟算法优化方面,为了提高系统的交互性,对现有的有限元算法进行了分析,针对随着接触点的变化造成需要求逆的矩阵和原刚度矩阵具有较大的相识性,采用了变预先求逆矩阵法,大大的提高了实时运算的效率,提高了系统得交互性。 5)在切割模拟方面,采用去除法并结合变预先求逆法,快速的生成了切割后新的刚度矩阵,并求出了在手术刀切割作用下其余个点的外移情况。最后结合实验模拟中的体会和现有方法中的不足,对以后的研究做了一个简单的展望。

关键词：虚拟现实虚拟手术碰撞检测力反馈形变模拟切割模拟

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仿生微纳锯齿丝切割超软脑组织的研究

仿生微纳锯齿丝切割超软脑组织的研究

作者：冯亮亮大连理工大学

学位级别：硕士

脑组织属于超软生物组织,其力学性能的研究对研发大脑保护防护措施、医疗诊断等具有指导作用,脑组织试样的微创切割是脑组织力学性能精准测试的前提条件。目前大多研究都是使用医用手术刀或者压制模具来直接制备试样,由于脑组织质地极... 详细信息

脑组织属于超软生物组织,其力学性能的研究对研发大脑保护防护措施、医疗诊断等具有指导作用,脑组织试样的微创切割是脑组织力学性能精准测试的前提条件。目前大多研究都是使用医用手术刀或者压制模具来直接制备试样,由于脑组织质地极其柔软,在切割过程中易对脑组织造成损伤,影响脑组织力学性能测试的真实性。蚊子能够以极低的刺入力刺入皮肤,主要归因于其下颚两端精致的微纳结构和振动刺入机制。受蚊子这种“无痛刺入”方式的启发,本文通过SEM和XRD分析,探索出一种可将金属微纳颗粒结到金属丝表面制备锯齿丝方法：将原始钼丝用砂纸打磨后进行酸化,从而在钼丝表面引入活性吸附位,随后将钼丝置于盐铁溶液浸泡,钼丝表面会覆盖一层吸附层,最后经过高温煅烧在钼丝表面形成锯齿结构。为研究锯齿丝的切割效果,利用锯齿丝刀具结合往复运动方式进行了系列切割实验,结果表明由于锯齿丝表面的微纳结构和振动切割联合作用,切割力显著减小;研究了切割速度和振动频率因素对切割力的影响规律。结果显示,无往复运动时切入力随着进给切割速度的增大而减小;相反,往复运动时切入力随着切割速度的增大而略有增加;振动频率(8-24 Hz)对切入力影响不明显;相对于振动频率,切入力对切割速度更为敏感。最后对脑组织进行了拉伸和松弛实验,不同应变率下脑组织的硬化效应表明脑组织具有较强的应变率相关性。通过拟合实验曲线建立了脑组织的五参粘弹本构模型,利用自定义子程序VUMAT将脑组织的粘弹性属性及等效Mises应力失效准则嵌入ABAQUS中,成功实现粘弹性脑组织切割过程的仿真模拟。结果表明切入力随着钼丝半径的增加而显著增大。本文研究结果对软物质的微创切割以及粘弹性材料的切割机理研究具有一定参考价值。

关键词：大脑组织切割微纳锯齿粘弹性切割模拟

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虚拟手术中表面网格切割优化算法的研究

燕山大学学报 2013年第6期37卷 528-534页

作者：王洪瑞赵冰陈利敏王洪斌燕山大学电气工程学院河北秦皇岛066004 河北大学电子信息工程学院河北保定071000

针对人体器官的切割仿真是虚拟手术系统中的重要组成部分。本文通过移动切割轨迹与三角面片的交点对交点复制顶点平移法进行优化,并按照最小角最大化的原则重新构造三角面片以达到提高剖分质量的目的;提出了利用贝塞尔曲线方法构造切口... 详细信息

针对人体器官的切割仿真是虚拟手术系统中的重要组成部分。本文通过移动切割轨迹与三角面片的交点对交点复制顶点平移法进行优化,并按照最小角最大化的原则重新构造三角面片以达到提高剖分质量的目的;提出了利用贝塞尔曲线方法构造切口凹槽的思想,采用复用二次贝塞尔曲线对切口凹槽进行细化。实验结果表明本文方法提高了切割后新生成的三角面片质量,使模型切口凹槽更为平滑,有利于虚拟手术的二次切割模拟。

关键词：虚拟手术切割模拟三角剖分贝塞尔曲线