虚拟手术系统基础问题
作者：王沫楠 著
出版时间： 2019年版
内容简介
《虚拟手术系统基础问题》以虚拟手术系统中的基础问题研究为核心内容，详细叙述几何建模算法与程序实现、网格划分算法与程序实现、皮下脂肪组织生物力学建模及仿真、基于纤维含量的关节软骨有限元建模及损伤修复分析、人体髋部有限元模型的构建及其应用、虚拟手术操作区自主选择算法、虚拟手术中的碰撞检测算法及程序实现、基于瞬态显示和延迟处理算法的切割初步实现等研究内容。《虚拟手术系统基础问题》在关节软骨有限元模型、髋部有限元模型、虚拟手术系统的加速计算、碰撞检测与切割算法等方面的介绍具有创新性，解决了虚拟手术系统研究中遇到的诸多关键问题，通过基础理论描述与应用实例分析相结合的叙述方式，能为计算机辅助医疗相关方向的研究者提供切实的帮助。
目录
目录
前言
第1章 虚拟手术系统基础问题概述 1
1.1 虚拟手术系统的发展 1
1.2 医学图像配准问题 2
1.2.1 弹性模型 3
1.2.2 黏性流体模型 6
1.2.3 基于光流场模型 6
1.2.4 基于先验知识配准 8
1.2.5 医学图像配准方法评价 10
1.3 关节软骨力学建模问题 12
1.4 虚拟手术中的碰撞检测问题 17
1.4.1 碰撞检测算法的原理 17
1.4.2 碰撞检测算法的分类 18
1.4.3 碰撞检测算法的研究现状 19
1.5 虚拟手术中的切割问题 21
1.6 本章小结 23
参考文献 24
第2章 几何建模算法与程序实现 37
2.1 几何建模算法 37
2.2 几何建模程序实现 38
2.3 髋部骨和肌肉几何建模结果 40
2.4 本章小结 43
参考文献 43
第3章 网格划分算法与程序实现 44
3.1 模型的简化 44
3.1.1 模型简化算法 44
3.1.2 模型简化结果 45
3.2 模型的网格划分 47
3.2.1 子域曲面重建 47
3.2.2 网格尺寸控制 47
3.2.3 特征点计算和区域边界的离散 48
3.2.4 表面网格和体网格的生成 48
3.3 网格划分结果 50
3.4 网格划分结果的质量分析 52
3.4.1 表面网格划分质量分析 52
3.4.2 体网格划分质量分析 53
3.5 本章小结 56
参考文献 56
第4章 皮下脂肪组织生物力学建模及仿真 57
4.1 皮下脂肪组织生物力学模型及计算 57
4.1.1 皮下脂肪的结构与特性 57
4.1.2 皮下脂肪组织生物力学模型的建立 59
4.1.3 皮下脂肪组织有限元计算力学基础 60
4.1.4 皮下脂肪组织的非线性有限元计算 63
4.2 皮下脂肪组织有限元仿真优化 71
4.2.1 系统规模的缩减 71
4.2.2 皮下脂肪组织有限元计算方法改进 72
4.3 皮下脂肪组织生物力学模型的验证 75
4.3.1 皮下脂肪组织网格模型建立 75
4.3.2 生物力学模型的对比验证 77
4.3.3 有限元仿真结果分析 79
4.4 本章小结 85
参考文献 85
第5章 基于纤维含量的关节软骨有限元建模及损伤修复分析 87
5.1 软骨的生理结构及建模基础理论 87
5.1.1 关节软骨的结构 87
5.1.2 关节软骨的力学特性 88
5.1.3 软骨的损伤机制及治疗修复策略 89
5.1.4 软骨建模基础理论 90
5.2 基于纤维含量的关节软骨有限元模型的建立及验证 93
5.2.1 软骨两相纤维增强弹簧模型 93
5.2.2 关节软骨有限元模型的构建 96
5.2.3 纤维增强弹簧模型的改进 97
5.2.4 基于纤维含量的有限元模型模拟验证及结果分析 101
5.3 不同修复深度的软骨模型在滑动条件下的有限元分析 102
5.3.1 滑动条件下不同修复深度的软骨有限元模型的建立 102
5.3.2 不同修复深度软骨在滑动时的接触应力 103
5.3.3 不同修复深度软骨在滑动时的Mises应力 105
5.3.4 不同修复深度软骨在滑动时的体积分数 110
5.3.5 不同修复深度软骨在滑动时的流速分布 111
5.4 全层修复软骨在多种压缩载荷下的有限元分析 115
5.4.1 全层修复软骨压缩有限元模型的建立 115
5.4.2 不同弹性模量下的Mises应力对比分析 115
5.4.3 不同弹性模量下液相所占体积分数分析 120
5.4.4 不同弹性模量下沿软骨径向的应变分析 123
5.5 本章小结 127
参考文献 127
第6章 人体髋部有限元模型的构建及其应用 129
6.1 人体髋部解剖结构及其力学特性 129
6.1.1 人体髋部组织解剖结构 129
6.1.2 人体髋部组织生物力学特性 132
6.2 人体髋部几何模型的建立 133
6.2.1 骨骼、肌肉几何模型的建立 134
6.2.2 骨骼、肌肉几何模型的优化 137
6.2.3 脂肪几何模型的建立 138
6.2.4 肌肉和脂肪几何模型的改进 139
6.3 人体髋部有限元模型的构建及验证 140
6.3.1 人体髋部有限元模型的构建 140
6.3.2 人体髋部有限元模型的验证 144
6.4 人体髋部有限元模型的应用 150
6.4.1 模型在着袜舒适性设计中的应用 151
6.4.2 模型在假肢接受腔设计中的应用 152
6.5 本章小结 155
参考文献 156
第7章 虚拟手术操作区自主选择算法 158
7.1 红黑树 158
7.2 四面体单元拓扑重构 159
7.2.1 数据文件读取 159
7.2.2 三角面片信息压缩 160
7.2.3 拓扑结构的重构 162
7.3 系统规模筛选系数设计 163
7.4 肌肉可视化实现 164
7.4.1 肌肉可视化设计 164
7.4.2 物体的移动实现 166
7.4.3 双物体的独立操作实现 166
7.5 操作区自主选择算法在软组织形变中的实现 167
7.5.1 肌肉组织的非线性超弹性模型 167
7.5.2 肌肉组织模型的有限元解算 170
7.5.3 操作区自主选择算法的嵌入实现 171
7.6 操作区自主选择算法的应用及数据分析 172
7.7 本章小结 174
参考文献 175
第8章 虚拟手术中的碰撞检测算法及程序实现 177
8.1 基于虚拟球的层次包围盒的碰撞检测算法 177
8.1.1 碰撞检测系统的一般框架结构 177
8.1.2 基于虚拟球的层次包围盒的提出 178
8.1.3 基于虚拟球的层次包围盒的构建 179
8.1.4 基于虚拟球的层次包围盒的相交测试 183
8.1.5 基于虚拟球的层次包围盒的遍历 185
8.1.6 基于虚拟球的层次包围盒的更新 186
8.2 基于虚拟球的层次包围盒的碰撞检测算法的程序实现与测试 187
8.2.1 测试方法概述 187
8.2.2 基于虚拟球的层次包围盒的碰撞检测算法检测流程 188
8.2.3 碰撞检测系统中的模型的可视化及控制 189
8.2.4 碰撞检测系统的测试 190
8.3 基于虚拟球的层次包围盒的碰撞检测算法在软组织上的应用 196
8.3.1 虚拟场景开发环境 196
8.3.2 基于虚拟球的层次包围盒的碰撞检测算法在软组织上的应用 197
8.3.3 基于虚拟球的层次包围盒的碰撞检测系统仿真结果 197
8.4 基于仿经纬度空间降维思想的碰撞检测算法研究及程序实现 200
8.4.1 仿经纬度空间降维设计 200
8.4.2 双关键字跳表结构设计 202
8.4.3 经纬度碰撞检测数据结构 205
8.4.4 底层三角面片的精确碰撞 207
8.4.5 碰撞检测程序 209
8.4.6 碰撞检测算法验证及分析 211
8.5 本章小结 217
参考文献 217
第9章 基于瞬态显示和延迟处理算法的切割初步实现 219
9.1 切割算法中手术刀离散路径特征化处理 219
9.1.1 特征评价函数设计 219
9.1.2 无锁链表设计 220
9.2 切割算法中单元分离路径选择 221
9.2.1 最小平方和设计 221
9.2.2 路径选择 221
9.3 切割算法中瞬态显示 222
9.4 切割算法中延迟调整算法 224
9.4.1 节点偏移平摊策略 224
9.4.2 特殊情况分析 225
9.4.3 时效性去重处理 225
9.5 切割算法整体流程 225
9.6 切割算法验证及分析 226
9.7 切割算法应用 230
9.8 本章小结 232
参考文献 233
