Yumuşak dokuların 3B modellenmesi ve dokunsal cihazlar kullanılarak deformasyonun simülasyonu

Abstract

Günümüz teknoloji çağında, bilgisayar grafiklerindeki gelişmeler sayesinde, birçok nesne asıllarına uygun şekilde sanal ortamda 3B modellenebilmesinde kayda değer gelişmeler elde edilmektedir. 3B modelleme ile iç içe olan sanal gerçeklik teknolojisi kullanılarak günlük yaşamda karşılaşılması muhtemel tepkilerin aynısı, sanal ortamda oluşturulan senaryolar ile birebir benzetilebilmektedir. Günümüzde, sanal gerçeklik teknolojisi kullanılarak, tıp eğitiminden pilotların uçuş eğitimlerine birçok alanda kullanılmak üzere simülatörler geliştirilmekte ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Tıp eğitiminde, doktor adaylarının pratik eğitimi için oldukça maliyetli olan ve etik bazı sorunlara yol açan kadavralar kullanılmaktadır. Tıp eğitimindeki bakış açısının değişmesi ile birlikte, geliştirilen simülatörler ile doktor adaylarının çeşitli senaryolar kullanarak sayısız tekrar yapmalarına olanak sağlanarak pratik kazanmaları gerçekleştirilmektedir. Bunun yanında simülatör yazılımları ile birlikte kullanılan ve dokunsal geri bildirim sağlayan cihazlar ile psikomotor becerilerin kazanımı gerçekleştirilebilmektedir. Böylelikle adaylar, gerçek bir organa ya da dokuya dokunduklarında hissettikleri deneyimi bilgisayar ortamında modellenmiş model üzerinde aynı tepkiyi hissedebilmektedir. Bu tez çalışmasında, insan vücudu içerisinde bulunan safra ve dalak gibi organların deformasyon algoritmaları ile benzetimlerinin yapılabilmesi için bir simülatör yazılım platformu geliştirilmiştir. Sistemde öncelikle, organlar anatomik yapılarına uygun şekilde 3B olarak modellenmiştir. Geliştirilen simülatör üzerinde, tasarlanan dokunsal cihaz donanımı ile organ üzerine dokunulduğunda ya da çekme kuvveti uyguladığında model üzerinde gerçekleşen deformasyonun gerçekleşmesi sayesinde geri bildirim sağlanmıştır. Çalışmada, zengin grafikli 3B modellerdeki deformasyonun alınabilmesi için kütle yay metodu ve moleküler modelleme metodu kullanılmıştır. Ek olarak, dokunsal cihaz ile modellenmiş örgü yapısı içerisinde hangi noktaya temas edildiğinin tespiti için çarpışma tespiti yöntemi tercih edilmiştir. Tez çalışmasında geliştirilen simülatör üzerindeki tüm benzetimler, OpenGL kütüphanesi içerisinde bulunan fonksiyonlar kullanılarak gerçek zamanlı olarak gerçekleştirilmiştir.

In today's technology age, thanks to the improvements in computer graphics, remarkable improvements are achieved in 3D modelling in virtual environment in accordance with many original objects. The same reactions those are likely to be encountered in daily life with the scenarios created in virtual environment is simulated with 3D modelling using virtual reality technology. Nowadays, simulators are being developed with the help of virtual reality technology and widely used in many areas especially from medical education to flight training of pilots. Cadavers, which are costly and bring ethical considerations, are being used in medical education. With the change in perspective in medical training, simulators are developed to enable physician candidates to make numerous repetitions using various scenarios and gain practical experience. In addition, psychomotor skills can be achieved by using tactile feedback devices used in conjunction with simulator software. Thus, candidates can experience the same reaction to the model modelled in a computerized experience as they feel they touch a real organ or tissue. In this thesis, a simulator software platform is developed to simulate the deformation algorithms of organs such as bile and kidney in the human body using deformation algorithms. In the system, firstly, organs are modelled in 3D according to their anatomical structure. On the developed simulator, feedback is provided by the deformation realized on the model when the organ is touched or applied tensile force by designed haptic device. In the study, mass spring method and molecular modelling method are used to obtain deformation in rich graphical 3D models. In addition, collision detection method is preferred to determine which point is contacted in the mesh structure modelled with haptic device. All simulations on the simulator developed in the thesis study are performed in real time using the functions available in the OpenGL library.