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虛擬手術系統基礎問題 版權信息
- ISBN：9787030623737
- 條形碼：9787030623737 ; 978-7-03-062373-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
虛擬手術系統基礎問題 內容簡介
本書以虛擬手術系統中的基礎問題研究為核心內容, 詳細敘述了幾何建模算法與程序實現、網格劃分算法與程序實現、皮下脂肪組織生物力學建模與仿真、關節軟骨有限元建模及損傷修復分析、人體髖部組織有限元模型的構建及其應用、虛擬手術操作區自主選擇算法、虛擬手術中的碰撞檢測算法及程序實現、瞬態顯示延遲處理算法與切割的初步實現等研究內容。本書在建立關節軟骨有限元模型、髖部有限元模型應用、虛擬手術系統的加速計算、碰撞檢測與切割等方面的介紹具有創新性, 解決了虛擬手術系統研究中遇到的諸多關鍵問題, 通過基礎理論描述與應用實例分析相結合的敘述方式, 能為計算機輔助醫療相關方向的研究者提供切實的幫助。
虛擬手術系統基礎問題 目錄
目錄
前言
第1章 虛擬手術系統基礎問題概述 1
1.1 虛擬手術系統的發展 1
1.2 醫學圖像配準問題 2
1.2.1 彈性模型 3
1.2.2 黏性流體模型 6
1.2.3 基于光流場模型 6
1.2.4 基于先驗知識配準 8
1.2.5 醫學圖像配準方法評價 10
1.3 關節軟骨力學建模問題 12
1.4 虛擬手術中的碰撞檢測問題 17
1.4.1 碰撞檢測算法的原理 17
1.4.2 碰撞檢測算法的分類 18
1.4.3 碰撞檢測算法的研究現狀 19
1.5 虛擬手術中的切割問題 21
1.6 本章小結 23
參考文獻 24
第2章 幾何建模算法與程序實現 37
2.1 幾何建模算法 37
2.2 幾何建模程序實現 38
2.3 髖部骨和肌肉幾何建模結果 40
2.4 本章小結 43
參考文獻 43
第3章 網格劃分算法與程序實現 44
3.1 模型的簡化 44
3.1.1 模型簡化算法 44
3.1.2 模型簡化結果 45
3.2 模型的網格劃分 47
3.2.1 子域曲面重建 47
3.2.2 網格尺寸控制 47
3.2.3 特征點計算和區域邊界的離散 48
3.2.4 表面網格和體網格的生成 48
3.3 網格劃分結果 50
3.4 網格劃分結果的質量分析 52
3.4.1 表面網格劃分質量分析 52
3.4.2 體網格劃分質量分析 53
3.5 本章小結 56
參考文獻 56
第4章 皮下脂肪組織生物力學建模及仿真 57
4.1 皮下脂肪組織生物力學模型及計算 57
4.1.1 皮下脂肪的結構與特性 57
4.1.2 皮下脂肪組織生物力學模型的建立 59
4.1.3 皮下脂肪組織有限元計算力學基礎 60
4.1.4 皮下脂肪組織的非線性有限元計算 63
4.2 皮下脂肪組織有限元仿真優化 71
4.2.1 系統規模的縮減 71
4.2.2 皮下脂肪組織有限元計算方法改進 72
4.3 皮下脂肪組織生物力學模型的驗證 75
4.3.1 皮下脂肪組織網格模型建立 75
4.3.2 生物力學模型的對比驗證 77
4.3.3 有限元仿真結果分析 79
4.4 本章小結 85
參考文獻 85
第5章 基于纖維含量的關節軟骨有限元建模及損傷修復分析 87
5.1 軟骨的生理結構及建模基礎理論 87
5.1.1 關節軟骨的結構 87
5.1.2 關節軟骨的力學特性 88
5.1.3 軟骨的損傷機制及治療修復策略 89
5.1.4 軟骨建模基礎理論 90
5.2 基于纖維含量的關節軟骨有限元模型的建立及驗證 93
5.2.1 軟骨兩相纖維增強彈簧模型 93
5.2.2 關節軟骨有限元模型的構建 96
5.2.3 纖維增強彈簧模型的改進 97
5.2.4 基于纖維含量的有限元模型模擬驗證及結果分析 101
5.3 不同修復深度的軟骨模型在滑動條件下的有限元分析 102
5.3.1 滑動條件下不同修復深度的軟骨有限元模型的建立 102
5.3.2 不同修復深度軟骨在滑動時的接觸應力 103
5.3.3 不同修復深度軟骨在滑動時的Mises應力 105
5.3.4 不同修復深度軟骨在滑動時的體積分數 110
5.3.5 不同修復深度軟骨在滑動時的流速分布 111
5.4 全層修復軟骨在多種壓縮載荷下的有限元分析 115
5.4.1 全層修復軟骨壓縮有限元模型的建立 115
5.4.2 不同彈性模量下的Mises應力對比分析 115
5.4.3 不同彈性模量下液相所占體積分數分析 120
5.4.4 不同彈性模量下沿軟骨徑向的應變分析 123
5.5 本章小結 127
參考文獻 127
第6章 人體髖部有限元模型的構建及其應用 129
6.1 人體髖部解剖結構及其力學特性 129
6.1.1 人體髖部組織解剖結構 129
6.1.2 人體髖部組織生物力學特性 132
6.2 人體髖部幾何模型的建立 133
6.2.1 骨骼、肌肉幾何模型的建立 134
6.2.2 骨骼、肌肉幾何模型的優化 137
6.2.3 脂肪幾何模型的建立 138
6.2.4 肌肉和脂肪幾何模型的改進 139
6.3 人體髖部有限元模型的構建及驗證 140
6.3.1 人體髖部有限元模型的構建 140
6.3.2 人體髖部有限元模型的驗證 144
6.4 人體髖部有限元模型的應用 150
6.4.1 模型在著襪舒適性設計中的應用 151
6.4.2 模型在假肢接受腔設計中的應用 152
6.5 本章小結 155
參考文獻 156
第7章 虛擬手術操作區自主選擇算法 158
7.1 紅黑樹 158
7.2 四面體單元拓撲重構 159
7.2.1 數據文件讀取 159
7.2.2 三角面片信息壓縮 160
7.2.3 拓撲結構的重構 162
7.3 系統規模篩選系數設計 163
7.4 肌肉可視化實現 164
7.4.1 肌肉可視化設計 164
7.4.2 物體的移動實現 166
7.4.3 雙物體的獨立操作實現 166
7.5 操作區自主選擇算法在軟組織形變中的實現 167
7.5.1 肌肉組織的非線性超彈性模型 167
7.5.2 肌肉組織模型的有限元解算 170
7.5.3 操作區自主選擇算法的嵌入實現 171
7.6 操作區自主選擇算法的應用及數據分析 172
7.7 本章小結 174
參考文獻 175
第8章 虛擬手術中的碰撞檢測算法及程序實現 177
8.1 基于虛擬球的層次包圍盒的碰撞檢測算法 177
8.1.1 碰撞檢測系統的一般框架結構 177
8.1.2 基于虛擬球的層次包圍盒的提出 178
8.1.3 基于虛擬球的層次包圍盒的構建 179
8.1.4 基于虛擬球的層次包圍盒的相交測試 183
8.1.5 基于虛擬球的層次包圍盒的遍歷 185
8.1.6 基于虛擬球的層次包圍盒的更新 186
8.2 基于虛擬球的層次包圍盒的碰撞檢測算法的程序實現與測試 187
8.2.1 測試方法概述 187
8.2.2 基于虛擬球的層次包圍盒的碰撞檢測算法檢測流程 188
8.2.3 碰撞檢測系統中的模型的可視化及控制 189
8.2.4 碰撞檢測系統的測試 190
8.3 基于虛擬球的層次包圍盒的碰撞檢測算法在軟組織上的應用 196
8.3.1 虛擬場景開發環境 196
8.3.2 基于虛擬球的層次包圍盒的碰撞檢測算法在軟組織上的應用 197
8.3.3 基于虛擬球的層次包圍盒的碰撞檢測系統仿真結果 197
8.4 基于仿經緯度空間降維思想的碰撞檢測算法研究及程序實現 200
8.4.1 仿經緯度空間降維設計 200
8.4.2 雙關鍵字跳表結構設計 202
8.4.3 經緯度碰撞檢測數據結構 205
8.4.4 底層三角面片的精確碰撞 207
8.4.5 碰撞檢測程序 209
8.4.6 碰撞檢測算法驗證及分析 211
8.5 本章小結 217
參考文獻 217
第9章 基于瞬態顯示和延遲處理算法的切割初步實現 219
9.1 切割算法中手術刀離散路徑特征化處理 219
9.1.1 特征評價函數設計 219
9.1.2 無鎖鏈表設計 220
9.2 切割算法中單元分離路徑選擇 221
9.2.1 *小平方和設計 221
9.2.2 路徑選擇 221
9.3 切割算法中瞬態顯示 222
9.4 切割算法中延遲調整算法 224
9.4.1 節點偏移平攤策略 224
9.4.2 特殊情況分析 225
9.4.3 時效性去重處理 225
9.5 切割算法整體流程 225
9.6 切割算法驗證及分析 226
9.7 切割算法應用 230
9.8 本章小結 232
參考文獻 233
前言
第1章 虛擬手術系統基礎問題概述 1
1.1 虛擬手術系統的發展 1
1.2 醫學圖像配準問題 2
1.2.1 彈性模型 3
1.2.2 黏性流體模型 6
1.2.3 基于光流場模型 6
1.2.4 基于先驗知識配準 8
1.2.5 醫學圖像配準方法評價 10
1.3 關節軟骨力學建模問題 12
1.4 虛擬手術中的碰撞檢測問題 17
1.4.1 碰撞檢測算法的原理 17
1.4.2 碰撞檢測算法的分類 18
1.4.3 碰撞檢測算法的研究現狀 19
1.5 虛擬手術中的切割問題 21
1.6 本章小結 23
參考文獻 24
第2章 幾何建模算法與程序實現 37
2.1 幾何建模算法 37
2.2 幾何建模程序實現 38
2.3 髖部骨和肌肉幾何建模結果 40
2.4 本章小結 43
參考文獻 43
第3章 網格劃分算法與程序實現 44
3.1 模型的簡化 44
3.1.1 模型簡化算法 44
3.1.2 模型簡化結果 45
3.2 模型的網格劃分 47
3.2.1 子域曲面重建 47
3.2.2 網格尺寸控制 47
3.2.3 特征點計算和區域邊界的離散 48
3.2.4 表面網格和體網格的生成 48
3.3 網格劃分結果 50
3.4 網格劃分結果的質量分析 52
3.4.1 表面網格劃分質量分析 52
3.4.2 體網格劃分質量分析 53
3.5 本章小結 56
參考文獻 56
第4章 皮下脂肪組織生物力學建模及仿真 57
4.1 皮下脂肪組織生物力學模型及計算 57
4.1.1 皮下脂肪的結構與特性 57
4.1.2 皮下脂肪組織生物力學模型的建立 59
4.1.3 皮下脂肪組織有限元計算力學基礎 60
4.1.4 皮下脂肪組織的非線性有限元計算 63
4.2 皮下脂肪組織有限元仿真優化 71
4.2.1 系統規模的縮減 71
4.2.2 皮下脂肪組織有限元計算方法改進 72
4.3 皮下脂肪組織生物力學模型的驗證 75
4.3.1 皮下脂肪組織網格模型建立 75
4.3.2 生物力學模型的對比驗證 77
4.3.3 有限元仿真結果分析 79
4.4 本章小結 85
參考文獻 85
第5章 基于纖維含量的關節軟骨有限元建模及損傷修復分析 87
5.1 軟骨的生理結構及建模基礎理論 87
5.1.1 關節軟骨的結構 87
5.1.2 關節軟骨的力學特性 88
5.1.3 軟骨的損傷機制及治療修復策略 89
5.1.4 軟骨建模基礎理論 90
5.2 基于纖維含量的關節軟骨有限元模型的建立及驗證 93
5.2.1 軟骨兩相纖維增強彈簧模型 93
5.2.2 關節軟骨有限元模型的構建 96
5.2.3 纖維增強彈簧模型的改進 97
5.2.4 基于纖維含量的有限元模型模擬驗證及結果分析 101
5.3 不同修復深度的軟骨模型在滑動條件下的有限元分析 102
5.3.1 滑動條件下不同修復深度的軟骨有限元模型的建立 102
5.3.2 不同修復深度軟骨在滑動時的接觸應力 103
5.3.3 不同修復深度軟骨在滑動時的Mises應力 105
5.3.4 不同修復深度軟骨在滑動時的體積分數 110
5.3.5 不同修復深度軟骨在滑動時的流速分布 111
5.4 全層修復軟骨在多種壓縮載荷下的有限元分析 115
5.4.1 全層修復軟骨壓縮有限元模型的建立 115
5.4.2 不同彈性模量下的Mises應力對比分析 115
5.4.3 不同彈性模量下液相所占體積分數分析 120
5.4.4 不同彈性模量下沿軟骨徑向的應變分析 123
5.5 本章小結 127
參考文獻 127
第6章 人體髖部有限元模型的構建及其應用 129
6.1 人體髖部解剖結構及其力學特性 129
6.1.1 人體髖部組織解剖結構 129
6.1.2 人體髖部組織生物力學特性 132
6.2 人體髖部幾何模型的建立 133
6.2.1 骨骼、肌肉幾何模型的建立 134
6.2.2 骨骼、肌肉幾何模型的優化 137
6.2.3 脂肪幾何模型的建立 138
6.2.4 肌肉和脂肪幾何模型的改進 139
6.3 人體髖部有限元模型的構建及驗證 140
6.3.1 人體髖部有限元模型的構建 140
6.3.2 人體髖部有限元模型的驗證 144
6.4 人體髖部有限元模型的應用 150
6.4.1 模型在著襪舒適性設計中的應用 151
6.4.2 模型在假肢接受腔設計中的應用 152
6.5 本章小結 155
參考文獻 156
第7章 虛擬手術操作區自主選擇算法 158
7.1 紅黑樹 158
7.2 四面體單元拓撲重構 159
7.2.1 數據文件讀取 159
7.2.2 三角面片信息壓縮 160
7.2.3 拓撲結構的重構 162
7.3 系統規模篩選系數設計 163
7.4 肌肉可視化實現 164
7.4.1 肌肉可視化設計 164
7.4.2 物體的移動實現 166
7.4.3 雙物體的獨立操作實現 166
7.5 操作區自主選擇算法在軟組織形變中的實現 167
7.5.1 肌肉組織的非線性超彈性模型 167
7.5.2 肌肉組織模型的有限元解算 170
7.5.3 操作區自主選擇算法的嵌入實現 171
7.6 操作區自主選擇算法的應用及數據分析 172
7.7 本章小結 174
參考文獻 175
第8章 虛擬手術中的碰撞檢測算法及程序實現 177
8.1 基于虛擬球的層次包圍盒的碰撞檢測算法 177
8.1.1 碰撞檢測系統的一般框架結構 177
8.1.2 基于虛擬球的層次包圍盒的提出 178
8.1.3 基于虛擬球的層次包圍盒的構建 179
8.1.4 基于虛擬球的層次包圍盒的相交測試 183
8.1.5 基于虛擬球的層次包圍盒的遍歷 185
8.1.6 基于虛擬球的層次包圍盒的更新 186
8.2 基于虛擬球的層次包圍盒的碰撞檢測算法的程序實現與測試 187
8.2.1 測試方法概述 187
8.2.2 基于虛擬球的層次包圍盒的碰撞檢測算法檢測流程 188
8.2.3 碰撞檢測系統中的模型的可視化及控制 189
8.2.4 碰撞檢測系統的測試 190
8.3 基于虛擬球的層次包圍盒的碰撞檢測算法在軟組織上的應用 196
8.3.1 虛擬場景開發環境 196
8.3.2 基于虛擬球的層次包圍盒的碰撞檢測算法在軟組織上的應用 197
8.3.3 基于虛擬球的層次包圍盒的碰撞檢測系統仿真結果 197
8.4 基于仿經緯度空間降維思想的碰撞檢測算法研究及程序實現 200
8.4.1 仿經緯度空間降維設計 200
8.4.2 雙關鍵字跳表結構設計 202
8.4.3 經緯度碰撞檢測數據結構 205
8.4.4 底層三角面片的精確碰撞 207
8.4.5 碰撞檢測程序 209
8.4.6 碰撞檢測算法驗證及分析 211
8.5 本章小結 217
參考文獻 217
第9章 基于瞬態顯示和延遲處理算法的切割初步實現 219
9.1 切割算法中手術刀離散路徑特征化處理 219
9.1.1 特征評價函數設計 219
9.1.2 無鎖鏈表設計 220
9.2 切割算法中單元分離路徑選擇 221
9.2.1 *小平方和設計 221
9.2.2 路徑選擇 221
9.3 切割算法中瞬態顯示 222
9.4 切割算法中延遲調整算法 224
9.4.1 節點偏移平攤策略 224
9.4.2 特殊情況分析 225
9.4.3 時效性去重處理 225
9.5 切割算法整體流程 225
9.6 切割算法驗證及分析 226
9.7 切割算法應用 230
9.8 本章小結 232
參考文獻 233
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