虚拟现实技术在鼻镜手术模拟训练系统中的应用研究

虚拟现实技术在鼻镜手术模拟训练系统中的应用研究

一、虚拟现实技术在鼻腔镜手术仿真训练系统中的应用研究(论文文献综述)

李俊杰[1](2021)在《空间机械臂任务虚拟训练系统研制》文中研究指明在中国空间站建造与运营过程中,为提高在轨操作任务执行效率及安全性,需利用空间机械臂辅助或替代航天员完成在轨操作任务,这使得空间机械臂成为中国空间站建设运营过程中必不可少的关键设备。由于特殊的空间环境、复杂且繁重的在轨操作任务对空间机械臂地面操控人员,即飞控岗位人员,提出了更高的要求,且空间机械臂结构复杂、缺少地面实物训练平台,传统的岗位训练系统和机制难以适应空间机械臂这类复杂系统的培训需求,因此亟需构建符合当前飞控岗位培训的任务需求的空间机械臂任务虚拟训练系统,提高岗位培训效率,降低岗位培训成本,这对中国空间站建设和机械臂任务虚拟培训领域发展具有重要的工程价值及实际意义。本文拟针对空间机械臂任务虚拟训练系统的虚拟岗位培训机制、虚拟场景中机械臂碰撞检测和接触力反馈等问题开展研究工作,具体研究内容如下:首先,开展基于虚拟现实的空间站机械臂任务虚拟训练系统软件架构设计。通过对虚拟训练系统进行功能需求和性能需求分析,确定该训练系统所需功能模块以及对应的性能指标;基于经典MVC系统架构模式,结合训练系统的需求分析结果,设计训练系统的视图层、控制层和模型层,基于封装分层思想降低系统模块间的耦合度,提高系统的灵活度和扩展性;根据虚拟训练系统的需求分析与架构设计划分系统功能模块单元,并设计其工作流程;分析空间机械臂典型在轨任务特点,制定各任务的考核指标和考核流程。其次,进行虚拟场景中机械臂碰撞检测方法研究。基于混合包围盒八叉树研究碰撞检测算法,对空间机械臂模型和空间站舱体模型进行预处理,构建基于模型点云文件的混合包围盒八叉树,以其为基础设计并实现虚拟训练系统碰撞检测算法;针对机械臂单一构型和机械臂连续运动两种情况,分别设计基于深度优先搜索算法和双向广度搜索算法的机械臂单一构型碰撞检测算法以及基于时空相关性的机械臂连续运动碰撞检测算法,提高虚拟训练系统中碰撞检测算法的计算效率。再次,完成基于弹簧-阻尼模型的机械臂力反馈系统研究。针对虚拟训练系统中图形渲染和力渲染的同步问题,对力反馈系统进行总体架构设计、力反馈设备选型和工作流程设计;将碰撞检测算法与弹簧-阻尼模型结合,计算模型接触时的接触力;设计并开展实验验证力反馈系统和力反馈算法的有效性和鲁棒性。最后,为验证虚拟训练系统对岗位训练的有效性,展示本文研制的空间机械臂任务虚拟训练系统在机械臂操作岗位培训领域的应用价值,搭建以天和机械臂系统为对象的虚拟训练系统,并针对本文所设计的虚拟场景中空间机械臂碰撞检测算法和力反馈系统,设计对应的操作任务培训实验,验证算法和训练系统的准确性及有效性。

徐德华[2](2021)在《虚拟手术几何建模和血流可视化仿真的研究》文中认为虚拟手术是以医学图像数据为基础,通过三维重建技术构建出虚拟器官组织模型,同时通过触觉交互系统模拟出真实手术过程中手术器械与虚拟组织器官的交互场景,提供给用户真实体验和沉浸感的一类虚拟现实系统。在虚拟手术系统中需要建立高度逼真的软组织器官几何模型,同时在手术中常见切割、缝合、抽吸等操作后常常伴随着出血场景,这也是虚拟手术仿真中的难点。针对虚拟手术中几何模型真实性不高和虚拟手术中血流可视化仿真不真实的问题,本文从提高虚拟手术系统的真实临场感和实时性出发,以提供逼真的手术操作仿真和出血效果为目标,研究了胃抽吸操作的虚拟手术仿真系统。首先,在医学图像数据的基础上采用改进的移动立方体算法重建了胃的三维几何模型。传统移动立方体算法存在二义性问题,并由此导致等值面存在空洞,生成的器官模型不够逼真。针对上述问题,论文提出了改进移动的立方体算法,在不改变算法框架的情况下,避免了因为二义性导致的空洞问题。手术器械建模采用代理点方式建模,提高了碰撞检测的效率。实验结果证明了改进的移动立方体算法在保证重建时间的前提下,有效的解决了空洞问题,大幅度优化了重建器官的外观的效果,保证了虚拟手术过程中的逼真度。其次,论文完成了血流可视化仿真设计。基于N-S(Navier-Stokes)方程建立SPH形式的流体动力学模型,采用邻近粒子搜索算法,并选用了三维网格立方体搜索法提高了査找邻近粒子的性能,构建了基于SPH算法的血流模型。为了提高血流渲染的逼真度,针对传统移动立方体算法在流体中应用会出现渲染血流信息不全的问题,同时引入各向异性核算法,并针对各向异性核算法存在的耗时问题,对各向异性核函数进行优化,该算法能够渲染出光滑平整的流体表面,较好的保留了血液表面的信息,同时虚拟手术的实时性也能得保障。最后,本文搭建了胃抽吸操作的虚拟手术仿真系统,能够实现胃的抽吸手术操作并呈现出真实出血的效果。用户通过力反馈设备PHANTOM Omni控制虚拟手术器械,模拟抽吸手术操作。实验结果表明本文开发的具有胃抽吸操作功能的虚拟手术仿真系统沉浸性和实时性较好。

陈军[3](2020)在《面向椎弓根钉置入手术的虚拟现实系统关键技术研究》文中认为随着医疗水平的不断提升,人们对医师的手术技能期望也越来越高。椎弓根钉准确置入是脊柱外科手术医生必须掌握的技能之一,现阶段的训练方式通常是在脊柱的标本或者基于假人的训练模拟器上练习椎弓根钉置入过程,但是由于样本的稀缺性以及成本的高昂性,实习医师很难有足够的机会进行相应的手术训练。随着高新技术日新月异的发展,科研人员提出将临床医学与虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术相结合而发展的虚拟手术仿真系统(Virtual Reality Surgery System,VRSS),为医生培训提供了新思路。本文基于虚拟现实的椎弓根钉置入手术仿真系统关键技术进行研究,旨在搭建更完善的虚拟手术系统。本文主要贡献如下:首先,本文对一个完整的虚拟手术系统进行需求分析,设计了面向椎弓根钉置入手术的虚拟仿真系统的整体框架,确立了基于触觉与视觉双交互通道仿真系统的框架。从软硬件两个方面对系统进行设计,软件部分采用OpenGL(Open Graphics Library)图形渲染库实现图形渲染实现视觉交互,OpenHaptics触觉渲染库进行二次开发实现触觉渲染,设计了椎弓根钉置入手术仿真系统的软件实现方案;然后,为了更好的还原真实手术场景,本文使用真实的人体CT数据进行三维重建。首先对医院所采集的CT图形进行预处理,然后在图像分割过程中使用基于区域生长方法与图像融合方法相结合的技术实现感兴趣区域的提取,最后基于移动立方体算法(Marching Cube,MC)实现脊柱解剖模型三维可视化。本文所搭建的三维重建模块支持旋转、缩放以及任意切片的裁剪,是虚拟手术系统的重要组成部分;接着,搭建了椎弓根钉置入手术过程中高速旋转的骨钻和骨组织之间相接触时的力预测模型。高效的碰撞检测算法对系统中虚拟手术器械与手术对象进行实时的检测,若检测碰撞结果为“是”,则将冲量动力学原理用于本文的椎弓根钉置入虚拟手术中,根据骨钻的状态信息对力的大小实时预测更新,然后由力反馈设备传递给使用者,实现虚拟手术的力触觉交互;最后,本文使用基于 CUDA(Compute Unified Device Architecture)的 GPU(Graphics Processing Unit)加速技术,实现了椎弓根钉置入手术的钻骨手术操作模拟。CPU与GPU分工合作,对海量的体素节点信息进行存储与信息传递,大大加速了视觉与触觉的响应速度,提高了刷新率与实时性,为实现基于混合数据模型的椎弓根钉操作仿真提供了可能。最终完成对各个模块进行集成,并在所搭建的虚拟手术系统中进行钻骨仿真实验。仿真实验结果表明,利用该技术搭建的椎弓根钉置入仿真系统,视频流刷新率在30Hz以上,触觉响应刷新率在500Hz以上,可以有效再现椎弓根钉置入的虚拟操作。

秦芝宝[4](2019)在《胸腔镜虚拟手术基础训练与医学重建的研究及实现》文中指出传统的手术培训存在训练周期长、效率低、成本高、尸体资源匮乏等缺点,随着虚拟现实和触觉反馈技术的发展,虚拟手术逐渐被应用于医学生和住院医师的手术培训中,为受训者提供手术操作技能培训,很大程度上解决了传统手术的不足。论文以开发胸腔镜虚拟手术系统中基础训练模块为目标,研究了与该系统相关的技术,具体完成的工作包括:(1)医学三维重建算法的研究及重建模块的实现。介绍了面绘制中Marching Cube算法和体绘制中Ray Casting算法,并在Unity3D平台上利用现有的基本元素和模块,结合这两种算法快速实现了对患者头部和胸部医学图像序列的面绘制和体绘制。相比于基于底层C++的医学重建开发,基于Unity3D的重建模块具有集成度高、开发周期短、交互性好等优点。医学三维重建模块为后期软组织器官模拟操作的开发奠定了基础。(2)采用Unity3D平台设计并完成了胸腔镜虚拟手术系统中基础训练模块的开发。该系统在一台设备上实现了常规虚拟现实、沉浸式虚拟现实、增强现实和混合现实四种不同显示方式的手术模拟器之间的任意切换。(3)实验研究了五种手术模拟器的性能。设计了虚拟手术基础训练模块中微小物体转移训练的实验,邀请了云南省第一人民医院的8名专家和24名新手进行实验,通过主观问卷和客观评估的方法,验证了五种手术模拟器的性能。在交互式环境部分,即沉浸感方面,混合现实模拟器优于认知虚拟现实模拟器;在触觉方面,箱式模拟器优于其他四种模拟器,但是操作对象重复使用之后容易被破坏;增强现实模拟器在交互式方面是最好的;虽然混合现实模拟器整体表现情况并不完美,但它为医学生和住院医师提供了一个高度沉浸式的真实手术室环境。

徐浪[5](2019)在《虚拟手术系统中实时形变模拟方法研究及应用》文中进行了进一步梳理外科手术是临床治疗的重要手段。随着科技的发展及生活水平的提升,从开放手术到微创手术,操作方式往精准化发展,要求医生手术技能的专业化程度越来越高。手术作为一种性命攸关的治疗手段,其临床技能通常需要外科医生长时间的训练与积累。长期以来,医生缺乏足够的训练方式和机会,这与社会对成熟外科医生的巨大需求形成矛盾。伴随虚拟现实技术及计算机硬件的快速发展,虚拟手术系统应运而生。通过对体内环境的三维建模与可视化,结合拟真人机交互方式,虚拟手术系统能够实现真实手术全流程演示与交互操作,提供针对性的重复训练,成为基础技能学习与临床练习之间的过渡环节,极大提升培训效率。实时形变模拟是虚拟手术系统开发中最为关键的模块,它涉及体内环境真实感渲染,包括器官组织的形变、创伤、流血及缝合等的器械器官交互操作,使得虚拟手术系统更接近临床表现。实时形变模拟满足可用性需要解决三个关键问题:一、准确性,可变形体的形变特征具有物理依据,在三维视觉上可信;二、实时性,形变计算能在极短时间内完成,满足不同应用环境的要求;三、鲁棒性,模型具有数值稳定性,在长时间操作及拓扑结构改变下模型不会崩溃,不丧失计算精度。更近一步,实时形变模拟达到实用性需要解决两个关键问题:一、多样性,包括器械、器官及体液等不同动态物体都能模拟计算;二、易用性,整合三维渲染模型及实时碰撞检测算法,方便地应用于特定手术模块开发。着眼于以上两方面,开展本文研究工作。首先,生物软组织是虚拟手术系统中最关注的可变形体,占据着医师的大部分手术操作和视野。相较于简单柔性体,生物软组织作为有机高聚物,其呈现出非线性、粘弹性及不可压缩性的力学特征。为更好地模拟生物软组织,本文提出了一种生物软组织实时形变模拟方法SpringPBD,将非线性-粘弹簧引入基于位置动力学中,结合体积不变约束,实现模拟生物软组织的典型力学特征。以肝脏器官离线有限元计算结果为标准,SpringPBD算法的全局误差比现行主流实时形变模拟算法更低。此算法具有较高的实时性和准确性。其次,以不可伸长弹性杆为物理模型的手术缝合线、介入手术导丝和纤维内镜等医疗器械在手术中应用广泛,而不可伸长手术缝合线由于穿刺、缠绕和打结等行为呈现出更加复杂的交互效果。因此本文以不可伸长手术缝合线为研究目标,采用离散Cosserat弹性杆模型,结合直接距离约束求解,实现模拟手术缝合线在发生弯曲、扭转等大变形时保持长度几乎不变,长度变化率低于3.2%。同时借助连续碰撞检测与响应,呈现了大时间步长模拟下的稳定打结、缠绕和生物软组织缝合效果。再次,一个完整的虚拟手术场景,包含生物软组织、手术器械及血液等多种动态物体,涉及到大量的碰撞解算和形变计算。考虑到三维渲染的技术特点,本文采用计算着色器实现了GPU并行加速的统一粒子框架CSDynamic,利用基于位置动力学模拟系统中的各类动态物体。通过对物理计算中最耗时的碰撞检测和约束投影进行并行改造,在大量基元的模拟场景中碰撞检测加速比最高达15,约束投影加速比最高达17。CSDynamic构建的夹持训练场景,物理计算每帧平均耗时仅7.19毫秒。该框架满足实用性的要求,且具有跨平台的技术特点。最后,在应用环节,本文提出了一个基于中国数字人的虚拟手术系统快速开发流程,涵盖人体器官和手术器械建模方法,以及手术场景的实时真实感渲染。借助中国参考人技术,该流程可套用至不同年龄阶段及体型的中国人群。本文应用该流程构建了腹腔镜胆囊切除虚拟手术系统,该系统由自研五自由度机械手及图形渲染设备组成,具有基础技能及完整手术流程的训练功能。综上所述,本文提出了针对于生物软组织和不可伸长手术缝合线的两种实时形变模拟方法,一套GPU加速的应用框架和一个虚拟手术系统快速开发流程。本文的研究意义在于走通了面向虚拟手术系统开发实时形变模拟方法的全流程,该流程能够高效地满足不同手术类型下模拟仿真的需求,为可靠的手术技能培训提供技术支撑。本文所述方法不仅能够应用于虚拟手术系统,在互动游戏、电影动画及教育培训等领域具有广阔的应用前景。

彭柳[6](2019)在《胸腔镜肺叶切除术交互仿真系统设计与实现》文中研究指明虚拟现实技术作为一种交叉型技术,它融合了计算机图形学、多媒体、人机交互以及网络等多种技术,广泛应用于多种领域。近年来虚拟现实技术发展迅速,同时也为医疗行业开辟了新的发展方向,由该技术开发的虚拟手术系统能够很好的实现对各种微创手术以及复杂的外科手术的重复训练,对一些操作难度较高的手术也能实现术前导航。本文的主要研究内容如下:(1)依据胸腔镜肺叶切除术(VASTL)的手术流程,对本套交互仿真系统的功能需求进行分析,明确了对肺部可视化、肺部软体变形、肺部切割及缝合等进行仿真研究的主要内容,进行了系统的整体设计和系统平台、软硬件功能组件的选型与构建。(2)对目前常用的几种三维重建算法进行了分析,深入研究了本套交互仿真系统使用的MC(Marching Cube)三维重建算法,并使用该算法对肺部进行了三维重建。针对MC算法在重建肺部过程中存在大量空检测循环、重建的模型表面粗糙等缺陷进行优化,并使用GPU的并行加速技术来提升算法执行的效率。(3)对目前常用的几种软体变形算法进行分析,并从算法的稳定性、运行效率以及应用范围等几个方面进行比较,选定综合优势较高的PBD(Position Based Dynamics)算法作为本文的软体形变算法,并对该算法的原理进行研究。使用PBD算法来实现肺部组织软体变形和切割缝合的仿真。实现了PBD算法的GPU并行加速,显着提高了该算法的运行效率。(4)结合现有的软硬件条件,构建了胸腔镜肺叶切除术交互仿真系统,对系统各个模块进行联调优化。采用该系统进行胸腔镜肺叶切除术模拟训练,得到了系统各模块的实验结果,并对该结果进行了统计分析。通过最终的系统交互仿真验证,表明该系统具有保真度高、稳定性好、运行流畅、力反馈及时准确等特点,为胸腔镜手术的培训提供了一种低风险、高效、可反复操作的手段。

黄铭明,苏其瑜,曾维,汤炜,田卫东,张劲[7](2018)在《下颌骨骨折虚拟手术培训系统研究》文中研究指明针对下颌骨骨折手术操作技能要求高的特点,使用Unity3D和HTC VIVE进行用于培训和术前模拟的虚拟手术系统的开发。将虚拟手术系统分为三维模型模块、光照系统模块、交互系统模块和手术室瞬间移动模块,对下颌骨骨折手术的场景、交互和手术过程进行模拟。结果表明此虚拟手术系统具有良好的真实感、沉浸感和交互性,能有效引导操作者完成手术流程,达成进行手术训练、模拟的目的。

肖勇[8](2017)在《基于虚拟现实的牙齿根管预备手术仿真训练系统开发》文中研究指明随着医疗水平的不断提高,人们对医护人员的技能要求也越来越高。从学员到临床医师需要漫长、重复的手术训练过程。虚拟手术系统作为一个新型教学训练平台,为医疗人员培养解决了一系列的难题。为了提高牙科学员的牙齿根管手术操作训练效率,本文针对牙齿根管手术虚拟仿真训练系统开发的相关内容进行研究。首先,本文针对牙齿根管手术虚拟仿真训练系统系统设计,结合牙齿根管预备临床手术与传统训练要点,进行了训练系统需求分析,将虚拟手术系统分为了场景模拟、操作训练、训练评分三个主要功能模块;此外为了保证训练系统的实时交互功能,基于多线程思想,采用可移植性强、扩展性高的OpenGL图形库进行图像渲染,利用Geomagic touch力反馈设备开发库中最接近设备硬件的OpenHaptics HDAPI方法进行力触觉渲染,设计了牙齿根管手术虚拟仿真训练系统软件实现方案。其次,本文针对于虚拟场景的构建与管理。通过只保留传统AIF结构中顶点与面片图元数据,简化网格数据结构的方式,构建了牙齿三维网格模型中图元数据的拓扑关系,实现了高效率的虚拟场景中三维模型数据的管理与查找工作;此外,采用齐次矩阵的方式,将空间坐标系表示、空间位姿表示、场景坐标投影变换、三维运动算子等处理方法进行了统一管理,完成了虚拟场景视角变换工作以及交互设备与虚拟场景坐标空间映射工作。再次,基于有向点、三角面片两种图元设计了基于模型图元的动态过程的实时碰撞检测方法,同时,采用了基于空间八叉树的模型空间剖分方法优化算法,完成了牙齿根管预备虚拟手术系统中,对复杂牙齿模型准确、实时的碰撞检测工作。实验结果表明:两种基于图元的碰撞检测方法都能够准确完成检测工作;其中在处理高精度模型时,基于有向点的动态过程碰撞检测算法检测效率更高;基于空间八叉树的检测算法优化方法对算法实时性有明显的提高作用,但是优化参数需要结合模型情况进行调整。最后,本文基于God-Object力反馈计算方法,完成了根管预备虚拟手术系统中力反馈特性模拟;基于杆件弯矩原理设计了一种杆形工具模型动态弯曲控制方法,实现了根管预备虚拟手术系统中根管锉工具模型的弯曲形变物理特性模拟;基于能量耗损方式设计了一种牙齿网格模型切削形变控制方法,利用摩擦力做功的方式对牙齿顶点数据能量进行磨损,实现了根管预备虚拟手术系统中牙齿模型物理形变特性模拟。实验结果表明:三种物理特性模拟方法都能够有效地实现各部分功能模拟,有利于提高根管预备虚拟手术训练系统的真实性。

廖登宏[9](2017)在《基于力反馈的个性化外科虚拟现实手术仿真培训系统关键技术研究》文中提出随着科学技术的日益发展,虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)正成为计算机辅助手术的重要组成部分,它给传统医学手术培训带来了颠覆性的变革。虚拟现实手术仿真系统综合了生物医学、计算机图形图像学、数学、机械动力学等多个学科领域的知识。利用力触觉技术和视觉沉浸技术,能方便地为用户营造一个视觉和力触觉融合的虚拟环境,可以对目标模型进行手术仿真,有利于医生对病灶进行观察研究,制定合理的手术操作路径,方便进行术前模拟,同时也有利于医学学生或者新手外科医生进行手术培训,有助于使用者了解手术流程和手术要领,提升使用者的手术操作水平。本文中所开发的虚拟现实手术仿真培训系统(Virtual Reality-based Surgical Training Simulator,VRSTS)由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件部分包括力反馈仪器Omega.6、沉浸式平台和高性能图形工作站,用于提供视觉和力触觉交互。软件部分基于计算机视觉和触觉类库CHAI3D、计算机图形学类库VTK和用户图形界面类库Qt进行开发。系统采用力触觉和视觉分离的多线程编程技术,以满足视觉和力触觉进程中刷新频率不同的要求。本文对视觉渲染引擎OpenGL的工作流程进行了分析,研究了OpenGL环境下模型的平移、缩放、旋转的变换矩阵。基于目标模型与手术工具的AABB包围盒,构建了多层次的包围树模型,实现了实时碰撞检测算法。针对手术目标模型网格粗糙或者不光滑的情况,提出了空间Hermite插值和Loop网格细分算法,经过网格细分以后,手术模型操作区域的网格更加光滑平顺,有利于实现良好的视觉仿真效果。根据手术对象的组织密度、组织厚度和手术操作的速度与深度等因素,构建了触觉反馈力的本构方程,力反馈效果较为接近真实手术的实际情形。本文以钻孔和切割这两种具有代表性的手术操作为切入点,进行了手术仿真的研究分析。首先,提出了复杂手术工具的约束算法,以将自由移动的手术工具约束到手术操作的指定方向,从而有效防止因为碰撞检测反馈力而引起的手术工具无序跳动。在此基础上,提出了一种钻孔形变控制算法,并根据手术实际需要,实现了逐级扩孔功能,可以对不同孔径、不同转速下的多次钻孔操作进行仿真。基于面片剖分法和顶点移动法的网格切分和重建过程,实现了切割手术操作仿真。针对医学图像三维重建的另一种关键方法——体绘制重建技术,本文采用光线投射法对模型进行了三维可视化重建,并利用单元去除法对体绘制重建模型进行了钻孔和切割操作的仿真实验。综上所述,本文开发实现了一种虚拟现实手术仿真培训系统,该系统具有较为良好的人机界面交互友好性、操作便利性以及视觉和力触觉反馈的逼真性。通过对专家学者和医学学生在试用本系统后的反馈信息进行分析,表明本系统在推广性、实用性、易用性、视觉与力触觉真实性方面表现良好,可以作为医学学生培训的工具,有助于医学数字化发展,具有较为重要的临床应用价值。

汪军,刘冬[10](2016)在《一种胆囊切除虚拟手术仿真训练平台研究》文中进行了进一步梳理实时性、变形逼真、手感真实是虚拟手术具有沉浸感的主要因素。从这些要素出发搭建了一种具有力反馈手感的胆囊切除虚拟手术仿真训练平台,在实时性上,提出一种不同的模型采用不同的包围盒碰撞检测的Capsule-Sphere混合碰撞检测方法;在受力变形上,提出一种网格-骨架模型的质点弹簧形变方法;并在前期研究的虚拟手术力反馈手柄上进行了测试。实验结果表明,将这两种模型应用于胆囊切除虚拟手术研究中,仿真训练平台能动态、实时、逼真地模拟软组织的变形过程,力反馈手感真实稳定。

二、虚拟现实技术在鼻腔镜手术仿真训练系统中的应用研究(论文开题报告)

(1)论文研究背景及目的

此处内容要求:

首先简单简介论文所研究问题的基本概念和背景,再而简单明了地指出论文所要研究解决的具体问题,并提出你的论文准备的观点或解决方法。

写法范例:

本文主要提出一款精简64位RISC处理器存储管理单元结构并详细分析其设计过程。在该MMU结构中,TLB采用叁个分离的TLB,TLB采用基于内容查找的相联存储器并行查找,支持粗粒度为64KB和细粒度为4KB两种页面大小,采用多级分层页表结构映射地址空间,并详细论述了四级页表转换过程,TLB结构组织等。该MMU结构将作为该处理器存储系统实现的一个重要组成部分。

(2)本文研究方法

调查法:该方法是有目的、有系统的搜集有关研究对象的具体信息。

观察法:用自己的感官和辅助工具直接观察研究对象从而得到有关信息。

实验法:通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果关系。

文献研究法:通过调查文献来获得资料,从而全面的、正确的了解掌握研究方法。

实证研究法:依据现有的科学理论和实践的需要提出设计。

定性分析法:对研究对象进行“质”的方面的研究,这个方法需要计算的数据较少。

定量分析法:通过具体的数字,使人们对研究对象的认识进一步精确化。

跨学科研究法:运用多学科的理论、方法和成果从整体上对某一课题进行研究。

功能分析法:这是社会科学用来分析社会现象的一种方法,从某一功能出发研究多个方面的影响。

模拟法:通过创设一个与原型相似的模型来间接研究原型某种特性的一种形容方法。

三、虚拟现实技术在鼻腔镜手术仿真训练系统中的应用研究(论文提纲范文)

(1)空间机械臂任务虚拟训练系统研制(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 虚拟现实训练系统研究现状
        1.2.2 碰撞检测算法研究现状
        1.2.3 力反馈算法研究现状
    1.3 本文研究内容及结构安排
第二章 空间机械臂任务虚拟训练系统架构设计
    2.1 引言
    2.2 虚拟训练系统需求分析
        2.2.1 功能需求分析
        2.2.2 性能需求分析
    2.3 虚拟训练系统总体架构设计
        2.3.1 视图层设计
        2.3.2 控制层设计
        2.3.3 模型层设计
    2.4 虚拟训练系统主要功能模块设计
        2.4.1 三维虚拟仿真功能模块设计
        2.4.2 虚拟场景中的碰撞检测模块设计
        2.4.3 虚拟场景中的手动控制模块设计
        2.4.4 人机交互功能模块设计
    2.5 空间机械臂典型任务训练考核设计
        2.5.1 空载转位训练考核设计
        2.5.2 负载转位训练考核设计
        2.5.3 静态目标捕获训练考核设计
        2.5.4 动态目标捕获训练考核设计
        2.5.5 基于关联矩阵法的指标评估方法
    2.6 本章小结
第三章 虚拟场景中的机械臂碰撞检测算法研究
    3.1 引言
    3.2 基于八叉树的混合层次包围盒树设计
        3.2.1 模型预处理
        3.2.2 包围盒类型选择
        3.2.3 构建混合包围盒八叉树
        3.2.4 混合层次包围盒树数据结构设计
    3.3 虚拟场景中的机械臂单一构型碰撞检测方法
        3.3.1 单一构型碰撞检测流程
        3.3.2 搜索策略选择阈值
        3.3.3 机械臂单一构型碰撞检测算法验证
    3.4 虚拟场景中的机械臂连续运动碰撞检测方法
        3.4.1 机械臂运动的时空相关性
        3.4.2 机械臂连续运动碰撞检测的递推设计
        3.4.3 机械臂连续运动碰撞检测算法验证
    3.5 本章小结
第四章 虚拟场景中的机械臂力反馈系统研究
    4.1 引言
    4.2 虚拟力反馈系统设计
        4.2.1 系统框架设计
        4.2.2 系统硬件构成
        4.2.3 系统软件构成
    4.3 基于弹簧-阻尼模型的刚体力反馈方法
        4.3.1 力反馈模型建立
        4.3.2 反馈力计算模型
    4.4 仿真实验
    4.5 本章小结
第五章 空间机械臂任务虚拟训练系统研制及实验验证
    5.1 引言
    5.2 空间机械臂任务虚拟训练系统搭建
        5.2.1 虚拟训练系统硬件选型
        5.2.2 虚拟训练系统软件实现
    5.3 空间机械臂典型任务训练考核
        5.3.1 空载转位训练考核
        5.3.2 负载转位训练考核
        5.3.3 静态目标捕获训练考核
        5.3.4 动态目标捕获训练考核
    5.4 空间机械臂手动控制模式训练
    5.5 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 主要研究工作总结
    6.2 展望
参考文献
致谢
作者攻读学位期间发表学术论文目录

(2)虚拟手术几何建模和血流可视化仿真的研究(论文提纲范文)

摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究的背景及意义
        1.1.1 课题研究的背景
        1.1.2 课题研究的意义
    1.2 虚拟手术国内外研究现状
    1.3 软组织几何模型研究现状
    1.4 血流仿真研究现状
    1.5 论文的研究内容及组织架构
第2章 虚拟手术的三维几何建模
    2.1 引言
    2.2 逆向工程
        2.2.1 概述
        2.2.2 信息数据采集
        2.2.3 CT图像的相关知识
    2.3 移动立方体算法
        2.3.1 等值面
        2.3.2 体素模型
        2.3.3 算法原理
    2.4 改进的移动立方体算法
    2.5 医学手术器械建模
    2.6 实验结果及分析
    2.7 本章小结
第3章 虚拟手术中血流可视化仿真
    3.1 引言
    3.2 虚拟手术血流可视化总体思路
    3.3 碰撞检测
        3.3.1 碰撞检测算法
        3.3.2 碰撞检测算法选择
    3.4 基于SPH算法的血流模型构建
        3.4.1 基于SPH血流模型构建总体思路
        3.4.2 邻近粒子搜索
        3.4.3 基于SPH的流体动力学
        3.4.4 血流粒子状态的更新
    3.5 血流的渲染
        3.5.1 移动立方体算法在流体中的运用
        3.5.2 各向异性核算法介绍和改进
    3.6 实验及结果分析
    3.7 本章小结
第4章 虚拟手术仿真系统
    4.1 引言
    4.2 力反馈设备PHANTOM Omni简介
    4.3 虚拟手术系统
    4.4 虚拟手术系统抽吸操作展示
    4.5 本章小结
第5章 总结和展望
    5.1 本文工作总结
    5.2 后续工作展望
致谢
参考文献

(3)面向椎弓根钉置入手术的虚拟现实系统关键技术研究(论文提纲范文)

中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景
    1.2 虚拟手术系统国内外研究现状
        1.2.1 国外研究现状
        1.2.2 国内研究现状
    1.3 本文主要研究内容
第二章 虚拟手术仿真系统的整体框架设计
    2.1 引言
    2.2 虚拟手术系统整体框架与关键技术
        2.2.1 虚拟手术系统整体框架设计
        2.2.2 虚拟手术系统关键技术分析
    2.3 虚拟手术系统的软硬件设计
        2.3.1 硬件平台
        2.3.2 系统软件设计
    2.4 本章小结
第三章 虚拟手术系统中脊柱三维可视化研究
    3.1 引言
    3.2 医学图像预处理研究
    3.3 基于区域融合的ROI提取研究
    3.4 基于MC算法三维重建
    3.5 可视化结果分析
        3.5.1 基于等值面提取三维重建结果
        3.5.2 算法重建效果对比
    3.6 本章小结
第四章 置钉过程中力触觉算法研究与实验验证
    4.1 引言
    4.2 碰撞检测研究
        4.2.1 基于表面模型的碰撞检测
        4.2.2 基于体素模型的碰撞检测
    4.3 钻骨操作的力预测模型
    4.4 触觉算法实现与实验结果分析
    4.5 本章小结
第五章 基于GPU加速的椎弓根钉钻骨仿真实验研究
    5.1 引言
    5.2 椎弓根钉置入手术背景介绍
    5.3 基于混合数据模型的场景渲染
        5.3.1 基于体素模型的触觉渲染
        5.3.2 基于表面模型的视觉渲染
        5.3.3 椎弓根钉置钉过程中骨质磨削原理
    5.4 基于CUDA的GPU并行加速
        5.4.1 CPU与GPU对比
        5.4.2 GPU加速原理
        5.4.3 GPU加速实验
    5.5 椎弓根钉置入手术仿真系统的设计与实现
        5.5.1 椎弓根钉置钉手术系统框架搭建
        5.5.2 虚拟手术系统功能实现与UI设计
        5.5.3 椎弓根钉置入过程仿真模拟
    5.6 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
致谢

(4)胸腔镜虚拟手术基础训练与医学重建的研究及实现(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
        1.1.1 研究背景
        1.1.2 研究意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 国外研究现状
        1.2.2 国内研究现状
    1.3 本文的主要研究内容
    1.4 本文的组织结构
第2章 相关技术理论
    2.1 DICOM医学图像
    2.2 Unity3D软件平台介绍
        2.2.1 Unity3D介绍
        2.2.2 软件所需的场景元素
        2.2.3 游戏对象的构成组件
        2.2.4 UI设计
    2.3 力反馈技术
    2.4 本章小结
第3章 医学图像三维重建算法及实现
    3.1 基于Marching Cube算法的面绘制
        3.1.1 面绘制
        3.1.2 Marching Cube算法
        3.1.3 基于Marching Cube的面绘制设计及UI实现
    3.2 基于Ray Casting算法的体绘制
        3.2.1 体绘制
        3.2.2 Ray Casting算法
        3.2.3 基于Ray Casting的体绘制实现设计及UI实现
    3.3 本章小结
第4章 胸腔镜虚拟手术训练系统的设计
    4.1 系统的总体结构
    4.2 系统硬件平台搭建
        4.2.1 计算机
        4.2.2 显示设备
        4.2.3 力反馈设备与手术器械
        4.2.4 内窥镜与3D鼠标
    4.3 系统软件功能模块设计
    4.4 本章小结
第5章 微小物体转移训练
    5.1 微小物体转移训练介绍
    5.2 微小物体转移训练模块开发
        5.2.1 模型及场景创建
        5.2.2 碰撞检测与抓取
        5.2.3 软件设计实现
    5.3 实验流程与评估标准
        5.3.1 实验流程
        5.3.2 评估标准
        5.3.3 数据分析
        5.3.4 训练模块测试
    5.4 实验结果与分析
        5.4.1 内容验证
        5.4.2 构造验证
        5.4.3 结论与讨论
    5.5 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 本文总结
    6.2 未来工作
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文和研究成果
致谢

(5)虚拟手术系统中实时形变模拟方法研究及应用(论文提纲范文)

摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 虚拟手术系统的介绍及应用
    1.2 实时形变模拟的基本要求及技术路线
    1.3 国内外相关关键技术研究进展
    1.4 本文研究内容及结构
2 生物软组织实时形变模拟方法
    2.1 引言
    2.2 非线性-粘弹簧振子模型
    2.3 引入非线性-粘弹簧到基于位置动力学
    2.4 力学效果及器官模型验证
    2.5 本章小结
3 不可伸长手术缝合线实时形变模拟方法
    3.1 引言
    3.2 不可伸长手术缝合线物理建模与算法实现
    3.3 不可伸长手术缝合线结果对比与应用测试
    3.4 本章小结
4 GPU并行加速计算的统一粒子框架
    4.1 引言
    4.2 虚拟手术系统中的统一粒子框架
    4.3 碰撞检测的并行算法
    4.4 约束投影的数值算法
    4.5 基于计算着色器的GPU并行技术
    4.6 性能对比与分析
    4.7 本章小结
5 腹腔镜胆囊切除虚拟手术系统
    5.1 引言
    5.2 虚拟手术系统中的三维建模
    5.3 虚拟手术系统中的真实感渲染
    5.4 腹腔镜胆囊切除虚拟手术系统
    5.5 本章小结
6 总结与展望
    6.1 主要研究内容与结论
    6.2 主要创新点
    6.3 研究展望
致谢
参考文献
附录1 攻读学位期间发表论文目录
附录2 中英文对照及缩写表
附录3 约束函数的梯度推导示例

(6)胸腔镜肺叶切除术交互仿真系统设计与实现(论文提纲范文)

摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题来源
    1.2 课题研究的目的、背景及意义
    1.3 相关领域国内外研究现状
        1.3.1 国外研究现状
        1.3.2 国内研究现状
    1.4 课题主要研究内容
第2章 胸腔镜肺叶切除术交互仿真系统需求分析及整体设计
    2.1 胸腔镜肺叶切除术流程分析
    2.2 系统功能需求分析
    2.3 系统的整体设计
    2.4 系统软硬件平台的构建
        2.4.1 系统的基本配置
        2.4.2 软件模块设计
        2.4.3 交互组件的设计
        2.4.3.1 操作平台的设计
        2.4.3.2 基于OpenHaptics的力的交互设计
    2.5 本章小结
第3章 基于MC算法的肺部三维重建
    3.1 三维重建算法简介
        3.1.1 体绘制算法
        3.1.2 面绘制算法
    3.2 Marching Cube算法研究
    3.3 基于MC算法的肺部三维重建的实现
        3.3.1 数据来源以及等值面的提取
        3.3.2 肺部的三维重建
    3.4 MC算法优化以及GPU加速
        3.4.1 快速寻找边界立方体
        3.4.2 应用重心法确定三角形顶点
        3.4.3 MC算法的GPU加速
    3.5 本章小结
第4章 基于PBD算法的肺部变形及切割缝合的实现
    4.1 软体变形算法简介
    4.2 PBD算法研究
        4.2.1 PBD基本算法
        4.2.2 约束种类
    4.3 基于PBD算法的肺部软体变形的实现
        4.3.1 碰撞检测
        4.3.2 肺部软体变形
    4.4 基于PBD的肺部切割的实现
    4.5 基于PBD的肺部缝合的实现
        4.5.1 缝合线的仿真设计
        4.5.2 肺部缝合仿真的实现
    4.6 PBD算法GPU加速
    4.7 本章小结
第5章 系统联调仿真及结果分析
    5.1 Marching Cube重建肺部实验
    5.2 肺部形变仿真实验
    5.3 肺部切割仿真实验
    5.4 肺部缝合仿真实验
    5.5 实验结果分析
    5.6 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果
攻读硕士学位期间参与的项目

(7)下颌骨骨折虚拟手术培训系统研究(论文提纲范文)

1 引言
2 系统分析与设计
    2.1 虚拟手术系统总体分析
    2.2 虚拟手术系统模块分析
        2.2.1 场景模块设计
        2.2.2交互模块设计
3系统实现
    3.1 3D建模设计
        3.1.1 手术室建模
        3.1.2手术器材建模
        3.1.3 颅骨三维模型重建
    3.2 灯光系统实现
    3.3 场景交互实现
        3.3.1 碰撞检测实现
        3.3.2 重力系统实现
        3.3.3 器械的拾取和释放实现
        3.3.4 颅骨模型交互系统实现
    3.4 手术室瞬间移动系统实现
4 系统测试
    4.1 测试环境
    4.2 整体测试效果
    4.3 系统易用性和仿真度测试
    4.4 测试结果分析
5 结束语

(8)基于虚拟现实的牙齿根管预备手术仿真训练系统开发(论文提纲范文)

摘要
Abstract
论文注释
第一章 绪论
    1.1 课题背景与研究意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 国外研究现状
        1.2.2 国内研究现状
    1.3 论文的研究内容与组织结构
第二章 根管预备虚拟手术训练系统方案设计
    2.1 牙齿根管预备手术背景介绍
        2.1.1 人体牙齿解剖结构
        2.1.2 根管预备手术与操作训练
    2.2 根管预备虚拟手术系统功能架构
        2.2.1 虚拟手术训练系统总体功能架构
        2.2.2 牙齿根管预备手术训练场景模拟
    2.3 根管预备虚拟手术系统软件架构
        2.3.1 OpenGL图形渲染库
        2.3.2 OpenHaptics力触觉渲染库
        2.3.3 虚拟系统软件设计
    2.4 本章小结
第三章 根管预备虚拟手术系统静态场景构建
    3.1 虚拟手术系统中三维模型构建
        3.1.1 人体牙齿模型构建
        3.1.2 AIF网格模型结构
        3.1.3 虚拟手术系统模型数据管理方法
    3.2 虚拟场景中的多坐标空间的匹配运算方法
        3.2.1 空间位姿描述与齐次变换
        3.2.2 虚拟场景视角变换
        3.2.3 设备与虚拟场景的坐标空间映射
    3.3 本章小结
第四章 根管预备虚拟手术系统碰撞检测
    4.1 基本图元的碰撞检测方法
        4.1.1 基于有向点的动态过程碰撞检测方法
        4.1.2 基于三角面片的动态过程碰撞检测方法
    4.2 基于空间八叉树的碰撞算法优化方法
    4.3 实验与结果
        4.3.1 碰撞检测方法有效性与适用性实验
        4.3.2 基于空间八叉树优化方法优化性能实验
    4.4 本章小结
第五章 根管预备虚拟手术系统物理特性实现方法
    5.1 虚拟系统力反馈实现方法
        5.1.1 力反馈技术
        5.1.2 刚性物体力反馈实现方法
    5.2 虚拟系统中模型变形处理方法
        5.2.1 根管锉弯曲变形效果实现方法
        5.2.2 牙齿模型磨削变形效果实现方法
    5.3 实验与结果
        5.3.1 力反馈触觉感知实验
        5.3.2 模型动态形变实验
    5.4 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 本文总结
    6.2 工作展望
致谢
参考文献
作者简介

(9)基于力反馈的个性化外科虚拟现实手术仿真培训系统关键技术研究(论文提纲范文)

摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 课题背景与研究意义
    1.2 虚拟现实的手术仿真培训的研究现状
    1.3 拟解决问题的关键技术
    1.4 文章结构安排
第二章 虚拟现实手术仿真培训系统软硬件及实现
    2.1 硬件平台
        2.1.1 力反馈设备(Omega.6)
        2.1.2 沉侵式平台
        2.1.3 图形工作站
    2.2 软件架构
        2.2.1 函数库
        2.2.2 多线程编程
    2.3 系统实现
    2.4 本章小结
第三章 虚拟现实环境下视觉与力触觉仿真算法研究
    3.1 OpenGL渲染
        3.1.1 OpenGL概述
        3.1.2 OpenGL工作流程
        3.1.3 OpenGL的矩阵变换
    3.2 碰撞检测
        3.2.1 包围盒模型概述
        3.2.2 模型对象AABB包围盒的构建
    3.3 网格细分算法
        3.3.1 空间Hermite插值细分算法
        3.3.2 Loop细分算法
    3.4 VRSTS中的反馈力计算
    3.5 本章小结
第四章 虚拟手术钻孔与切割仿真算法研究
    4.1 手术工具约束
    4.2 钻孔操作仿真
        4.2.1 形变计算
        4.2.2 逐级扩孔
    4.3 切割操作
        4.3.1 网格切分与重建
        4.3.2 切割效果
    4.4 基于体绘制的手术仿真研究
        4.4.1 体绘制概述
        4.4.2 体绘制重建模型
        4.4.3 手术仿真操作
    4.5 本章小结
第五章 虚拟现实手术仿真培训系统评估
    5.1 仿真手术实验
    5.2 仿真培训效果评估
    5.3 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 本文创新点
    6.3 展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

四、虚拟现实技术在鼻腔镜手术仿真训练系统中的应用研究(论文参考文献)

  • [1]空间机械臂任务虚拟训练系统研制[D]. 李俊杰. 北京邮电大学, 2021(01)
  • [2]虚拟手术几何建模和血流可视化仿真的研究[D]. 徐德华. 南昌大学, 2021
  • [3]面向椎弓根钉置入手术的虚拟现实系统关键技术研究[D]. 陈军. 苏州大学, 2020(02)
  • [4]胸腔镜虚拟手术基础训练与医学重建的研究及实现[D]. 秦芝宝. 云南师范大学, 2019(01)
  • [5]虚拟手术系统中实时形变模拟方法研究及应用[D]. 徐浪. 华中科技大学, 2019(03)
  • [6]胸腔镜肺叶切除术交互仿真系统设计与实现[D]. 彭柳. 武汉理工大学, 2019(07)
  • [7]下颌骨骨折虚拟手术培训系统研究[J]. 黄铭明,苏其瑜,曾维,汤炜,田卫东,张劲. 计算机工程与应用, 2018(23)
  • [8]基于虚拟现实的牙齿根管预备手术仿真训练系统开发[D]. 肖勇. 东南大学, 2017(04)
  • [9]基于力反馈的个性化外科虚拟现实手术仿真培训系统关键技术研究[D]. 廖登宏. 上海交通大学, 2017(09)
  • [10]一种胆囊切除虚拟手术仿真训练平台研究[J]. 汪军,刘冬. 系统仿真学报, 2016(08)

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虚拟现实技术在鼻镜手术模拟训练系统中的应用研究
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