面向生物醫(yī)學仿真的表面重建和四面體化技術研究.pdf

1、隨著生物醫(yī)學和計算機應用技術的不斷發(fā)展與相互結合,生物醫(yī)學仿真系統(tǒng)的研究與開發(fā)已經(jīng)逐漸滲透到現(xiàn)代醫(yī)學的各個方面。其中比較典型的例子是以虛擬手術系統(tǒng)為代表的相關課題研究。虛擬手術系統(tǒng)從醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)出發(fā),在計算機中構造出生物組織空間模型,創(chuàng)造虛擬醫(yī)學環(huán)境,并仿真各種交互式手術過程,讓用戶產(chǎn)生一種身臨其境的體驗和感覺。虛擬手術系統(tǒng)在培訓、導航以及術前預測等方面優(yōu)于傳統(tǒng)手術,具備無污染、可重復利用和低消耗等特點,已成為學術及應用領域的研究熱點之

2、一。
　　以虛擬手術系統(tǒng)為代表的生物醫(yī)學仿真涉及到醫(yī)學圖像處理、計算機圖形學、計算幾何以及生物力學等諸多學科,是一個綜合性較強的研究領域。針對不同的生物組織和仿真內容,需要重點研究的方面也存在差異,本文試圖從較為通用的角度提出實現(xiàn)該系統(tǒng)的整體架構和關鍵技術。重點研究生物組織的幾何建模技術,包括表面重建技術、通用并行計算架構(CUDA)下的交互式建模技術以及Delaunay三角化/四面化技術。
　　以虛擬內窺鏡手術為背景,面向

3、培訓學員、專家以及研究人員,提出了生物醫(yī)學仿真系統(tǒng)的整體架構并探討了其中的關鍵技術。從仿真任務對實時性和真實性的不同要求出發(fā),設計了通用的幾何建模方案,同時滿足系統(tǒng)對表面模型和四面體實體模型的雙重需求。
　　對于生物組織表面重建技術,從拓撲和質量兩個方面對Marching cubes(MC)算法進行了研究與改進。首先以33種擴展剖分模式和雙曲線漸近線判別法為基礎,通過構建二義性檢測索引表,以簡單統(tǒng)一的方式同時解決MC算法的面二義性

4、和體二義性問題,得到了拓撲正確的表面模型;然后引入單體素和基于邊組的質量分析方法,從根本上解釋MC算法生成劣質單元的原因,在此基礎上結合二義性檢測索引表,提出擴展模式下的點偏移策略改進網(wǎng)格質量,得到了高質量且拓撲正確的表面模型。
　　在實時性建模方面,以交互式表面重建為目的,在保證網(wǎng)格質量的基礎上,引入圖形處理器中的CLYDA架構,提出了兩種MC改進算法。首先改進點偏移策略,使其適應CUDA并行模式,通過活躍體素和活躍邊的并行提取

5、、交點的并行計算等方式快速生成高質量表面模型;然后以邊組概念為理論依據(jù),采用改變三角剖分索引表的方式代替點偏移進行并行計算,將MC算法完全移植到圖形處理器中執(zhí)行,達到了高質量交互式建模的目的。
　　在四面體實體建模方面,從理論和實驗出發(fā),對Delaunay refinement算法進行研究與改進。首先以真實性為主要目的,以MC算法得到的三角表面為邊界限定條件,提出了基于非弱相關點的改進算法,適度放松輸入域的角度限制,并從理論上保證