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计算机应用与软件 2018年第2期35卷 242-247,315页

作者：罗中粟潘一源唐良甫朱珂权李永强浙江工业大学国际学院浙江杭州310023 浙江工业大学信息工程学院浙江杭州310023

流血模拟是虚拟手术训练系统的重要组成部分。然而,流血模拟的真实性和庞大的计算量对手术训练系统具有很大的挑战。提出一种基于GPU加速的方法以解决虚拟手术中的流血效果模拟的实时性问题。该方法利用网格法实时划分问题区域,创建以... 详细信息

流血模拟是虚拟手术训练系统的重要组成部分。然而,流血模拟的真实性和庞大的计算量对手术训练系统具有很大的挑战。提出一种基于GPU加速的方法以解决虚拟手术中的流血效果模拟的实时性问题。该方法利用网格法实时划分问题区域,创建以支持域为边长的空间网格。通过临近网格搜索最近相邻粒子,并且通过并行计算架构(CUDA)多线程并行加速技术完成粒子控制方程的求解以及血液与固体交互的计算,大大提高了运算效率,从而提高了手术训练的实时性。一种改进的移动立方体算法(marching cube)用于流体表面的渲染,大大提高了手术训练的真实性。实验结果表明,该方法能够满足虚拟手术过程中流血的模拟需求,相比于CPU的实现,速度明显提升。

关键词：手术训练系统流血模拟 SPH最近相邻粒子搜索法 CUDA移动立方体 PN三角形

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基于GPU加速的光滑粒子流体动力学流血模拟算法研究

基于GPU加速的光滑粒子流体动力学流血模拟算法研究

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作者：肖昌盛浙江工业大学

学位级别：硕士

神经外科手术训练系统是当前数字医疗研究的热点问题之一,它主要应用于教学、培训、诊断和术前计划等。血管出血是临床手术中最常见的现象,也是神经外科手术训练中必须面对的一个问题,所以流血模拟是神经外科手术训练系统中一个重要的... 详细信息

神经外科手术训练系统是当前数字医疗研究的热点问题之一,它主要应用于教学、培训、诊断和术前计划等。血管出血是临床手术中最常见的现象,也是神经外科手术训练中必须面对的一个问题,所以流血模拟是神经外科手术训练系统中一个重要的组成部分。然而,流血模拟的真实性是神经外科手术训练系统中的一个巨大挑战。此外,手术中流血往往和其它手术操作同时出现。针对以上问题,本文提出了改善的方法,具体的工作内容如下:1)针对流血模拟真实性的问题,本文采用一种改进的移动立方体算法（Marching Cube）渲染流体表面。移动立方体算法通过计算等值面提取出接近液体表面的立方体,然后通过线性插值方法找出需要绘制的三角面片的顶点位置。为了保证渲染的流体表面更接近于现实的流体表面,采用PN三角形方法对表面的三角形网格进行细分,得到更为细密的三角形网格,使得渲染之后的表面更加光滑,提高了手术训练的真实性。2)设计实现了神经外科手术训练系统中的内窥镜功能、双极电凝的吸血功能、组织切割等模块,搭建出一个简单的神经外科手术训练系统场景,将这些模块和流血模块相结合,满足了神经外科手术训练的不同模拟需求。实验结果表明:本文的表面重建算法获得了逼真的流血效果,使得血液表面更加平滑。此外,设计的流血模块及其它模块模拟了真实手术的过程,满足了医护人员的手术训练要求。

关键词：神经外科手术训练系统流血模拟 SPH 移动立方体 PN三角形

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虚拟手术流血模拟的GPU加速实现

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中国图象图形学报 2014年第10期19卷 1532-1538页

作者：赖颢升向辉山东大学计算机科学与技术学院济南250100

目的流血效果是虚拟手术模拟器视觉效果的重要组成部分,血流与固体交互的庞大计算量使取得实时的流血模拟效果具有很大的挑战性。提出一种基于图形处理单元(GPU)加速的虚拟手术流血效果模拟方法。方法该方法以Maller等人提出的光滑粒子... 详细信息

目的流血效果是虚拟手术模拟器视觉效果的重要组成部分,血流与固体交互的庞大计算量使取得实时的流血模拟效果具有很大的挑战性。提出一种基于图形处理单元(GPU)加速的虚拟手术流血效果模拟方法。方法该方法以Maller等人提出的光滑粒子动力学(SPH)作为基础,采用温度项使粒子具有不同速度模拟血流形成的血槽,同时基于构建均匀空间网格的思想,利用通用并行计算架构(CUDA)多线程并行加速技术完成粒子控制方程的求解和血流与固体交互的计算,从而取得实时的效果。结果实验结果表明,本文方法能够满足虚拟手术中切割表面流血和血液在器官中流动的模拟需求,在粒子个数为9000时仅需20 ms,对比于纯CPU的实现取得20.15倍的加速比,实现了大量粒子下的实时流血模拟。结论本文方法具有较好的灵活性和实时性的特点,可以应用于虚拟手术仿真系统之中。

关键词：虚拟手术流血模拟光滑粒子动力学(SPH) CUDA加速温度项

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基于SPH方法的流体粒子与软体碰撞检测

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计算机系统应用 2020年第5期29卷 214-219页

作者：施鹏陈飞廖晋民中南财经政法大学武汉430073 中南大学湘雅二医院长沙410008 陆军勤务学院战争经济实验室重庆404000

针对虚拟手术系统中流血粒子与软组织器官碰撞检测的问题进行了研究.虚拟手术中流血与软体器官组织进行碰撞检测不同于传统的刚体或者软体之间的碰撞检测,流血模型的拓扑结构变化较大,传统方法通过更新拓扑结构来进行碰撞检测的方法不... 详细信息

针对虚拟手术系统中流血粒子与软组织器官碰撞检测的问题进行了研究.虚拟手术中流血与软体器官组织进行碰撞检测不同于传统的刚体或者软体之间的碰撞检测,流血模型的拓扑结构变化较大,传统方法通过更新拓扑结构来进行碰撞检测的方法不能够保证碰撞检测的实时性和准确性.提出一种基于空间划分的流血粒子与软体碰撞检测算法,能够处理基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)模拟的流体与任意动力学模型模拟的软体之间的碰撞检测.同时,提出了对SPH算法进行最近相邻粒子搜索过程中建立起的均匀空间网格进行重复利用,使空间网格用于碰撞检测的空间划分与流体粒子的定位,从而减少了时间和空间资源的重复消耗.实验结果表明,该算法能够满足虚拟手术中流血粒子与软体之间的碰撞检测对精确性和实时性的要求.

关键词：空间划分流血模拟虚拟手术碰撞检测光滑粒子流体动力学

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虚拟手术中皮肤软组织任意切割的真实模拟

虚拟手术中皮肤软组织任意切割的真实模拟

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作者：刘吉娟燕山大学

学位级别：硕士

随着科学技术迅速发展，虚拟现实技术在医学领域发挥着十分重要的作用。虚拟手术切割是虚拟手术系统的重要组成部分，又由于人体组织大部分是软组织，所以对软体切割的模拟变得更加重要，目前国内外学者对其进行了一系列研究并取得了一... 详细信息

随着科学技术迅速发展，虚拟现实技术在医学领域发挥着十分重要的作用。虚拟手术切割是虚拟手术系统的重要组成部分，又由于人体组织大部分是软组织，所以对软体切割的模拟变得更加重要，目前国内外学者对其进行了一系列研究并取得了一定成绩。因此，对皮肤软组织任意切割的真实模拟具有理论和实际性意义。首先，根据皮肤的物理特性和对建模方法的比较，采用质点-弹簧模型对皮肤表面进行面模型建模;建立一张中间部分是平面、四周有一定弧度和高度的皮肤嵌入人体模型，使其看起来是三维的，不仅能实现体模型效果，还能减少计算量，提高绘制速度。其次，为了提高切痕模拟的准确性，在切割区域对存在切点的网格进行自适应细分，根据用户需求确定细分次数，将切点划定在细分后的小网格中;再对小网格中的切点按照改进的顶点复制移动算法进行替换移动，最后连接切点形成平滑切痕，可减少切点移动造成的误差，提高准确性。再次，为了提高切割效果的逼真性，在任意切痕下方实时添加不同深度的质点，并与切痕两侧质点相连形成任意深度切痕，还可实现同一位置的重复切割;采用粒子系统添加切割时流血现象模拟，每一个切点处分布一组血粒子，且血粒子属性都是随机分配的，体现血液流动的随机性;采用余弦定理和相似三角形法模拟血珠的融合现象，增强流血模拟的逼真性。最后，在Windows系统下，使用VC++、OpenGL和Cg语言设计实现皮肤软组织任意切割仿真系统，并对提出的方法进行试验验证。实验结果表明，本文方法能够真实高效准确的在皮肤软组织面模型上实现任意深度的立体切割，且形变、流血现象等模拟较为逼真。

关键词：虚拟手术任意立体切割质点-弹簧模型自适应网格细分软组织形变流血模拟

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基于力反馈的虚拟膝关节镜手术系统的研究与实现

基于力反馈的虚拟膝关节镜手术系统的研究与实现

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作者：徐凯国防科学技术大学

学位级别：硕士

虚拟手术是虚拟现实技术在现代医学领域中的应用。基于虚拟现实技术的手术仿真系统不但可以为医生提供内窥镜手术的训练平台，还可以辅助真实的手术治疗。它的出现大大方便了内窥镜手术的推广和应用。因此，虚拟手术具有很好的应用前景... 详细信息

虚拟手术是虚拟现实技术在现代医学领域中的应用。基于虚拟现实技术的手术仿真系统不但可以为医生提供内窥镜手术的训练平台，还可以辅助真实的手术治疗。它的出现大大方便了内窥镜手术的推广和应用。因此，虚拟手术具有很好的应用前景。虚拟手术系统的研究与开发是一个极具挑战性的课题，它涉及诸多研究领域，如计算机图形学、数字图像处理、计算机视觉、力学、机器人学、医学等等。在虚拟手术系统中，视觉和触觉反馈是用户和系统交互的两大重要方式。逼真、实时的视觉和触觉反馈可以增强系统的真实性和沉浸感。本文介绍了国家自然科学基金项目——基于力反馈的虚拟膝关节镜手术系统研究开发中模型可视化、力反馈计算、特效模拟以及软件结构设计等方面的内容。在医学图像的三维重建及可视化方面，本文简单介绍了本系统所采用的基于断层轮廓线重建三维物体的方法。然后针对该方法重建出的三维模型网格的特点，提出了一种基于自适应网格的拉普拉斯平滑方法，该方法考虑了断层轮廓线之间的连续性，较好地解决了网格平滑中的几何特征保持等问题。在力反馈计算方面，本文介绍PHANToM力反馈设备及其提供的两种基于表面的力反馈模型，然后提出了一种结合弹簧振子形变模型的力反馈模型，实现了损伤韧带探查的力反馈计算。在特效模拟方面，本文重点阐述了流血模拟，并针对两类不同的流血现象分别提出了两种流血模型，均达到了较好的模拟效果。本文简要介绍了粒子系统的原理和方法，并用它实现了其它一些特殊效果的模拟。此外，本文还介绍了结合物理模型和纹理映射实现的针对一类特殊组织的模拟方法。文章最后讨论了系统的软件体系结构设计问题，本文采用了基于模型-视图-控制器模式的虚拟膝关节镜手术系统软件结构设计方案，通过对视图概念的推广，使软件具有较清晰的结构以及良好的灵活性和可扩展性。论文最后是本课题的虚拟膝关节镜手术系统的实现效果和性能评测。

关键词：虚拟现实虚拟手术几何模型网格平滑力反馈特效模拟流血模拟粒子系统体系结构模式 MVC模式

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