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国人虚拟眼角膜建模与仿真研究

谢杰镇  
【摘要】: 生物体基本上是由软凝聚态物质组成,生物膜是软凝聚态物质物理研究的重要内容。本论文研究选定人眼角膜――一种典型的生物膜为研究对象展开。角膜是人眼的重要组成部分,角膜的特性对于眼疾病的诊断和治疗有着重要的意义,研究角膜的形态特征、物理特性,对其进行建模与仿真具有重要的学术意义和临床应用价值。 本文主要研究了在构建中国人虚拟眼角膜的形态和物理模型过程中所遇到的图像采集、分析、参数提取、形态建模、物理建模和虚拟仿真等方面的问题,探索一条将数字人眼组织模型数据与临床个体数据融合的研究路线,其目的是构造出能准确描述角膜的形态结构和物理模型,为构建“中国人虚拟眼”以及眼科医学教学和临床应用奠定重要的物质和技术基础。 本论文的主要研究内容和创新性工作如下: 1.负责设计并实现了一套从普通眼科临床使用的裂隙灯显微镜采集和分析眼前节显微图像的软硬件系统,提出了一种基于裂隙灯图像客观地获取眼前节的10多种生理参数和全自动分析报告眼角膜主要生理参数的新方法,设计了一种基于临床裂隙灯显微序列图像的角膜三维重建的方法。利用Directshow技术采集裂隙灯显微图像,采用等效的大津法阈值分割出角膜和虹膜区域,然后根据角膜和虹膜组织结构的边界拟合曲线提取眼前节的特征参数,获取并分析报告临床诊疗相关的眼角膜、虹膜、晶状体等组织主要生理参数。并以裂隙灯图像序列为基础,利用表面绘制方法实现基于病人裂隙灯图像的角膜三维重建。 2.原创性地制作并保存了646片眼组织切片标本,以此为基础获得了眼球切片一套五种图像基础数据集和切片角膜组织的图像数据集。作为团队的最主要骨干,负责实现了原创性地将一只眼球进行包埋、组织切削、染色并制成646片组织切片标本,以此为基础获得了眼球切片一套五种图像基础数据集和切片角膜组织的图像数据集,这是至今为止国内外一只眼球制成并保存组织标本数量最多、数据量最大的成果。 3.将经典的角膜数据和由裂隙灯图像所获取的临床人眼角膜数据进行融合,提出一种建立参数化的角膜形态模型和有限元物理模型的方法。结合经典的角膜数据和由裂隙灯图像所获取的临床人眼角膜数据,在合理简化和假设基础上采用参数化的建模方法,建立参数化的角膜形态模型和有限元物理模型,并进行了眼内压和外部压力改变时的角膜形变仿真研究,探索出将数字人技术为临床病人服务的研究路线。 4.建立人眼角膜的弹簧-质点模型,结合力反馈设备,对人眼角膜组织进行了接触虚拟仿真研究。针对眼角膜的基本几何和物理特征,设计了以AABB层次包围盒树结构为碰撞检测的基本数据结构,并改进了弹簧-质点模型,实现了虚拟眼角膜接触变形和触觉反馈仿真。实验表明,所提出的算法效率较高,在视觉和触觉上实现实时的绘制和反馈。很好的表现了人眼角膜的基本特征,为进一步建立虚拟手术仿真环境奠定了基础。


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