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Theses Year : 2017

Topological Changes in Simulations of Deformable Objects

Changements Topologiques dans des Simulations des Objets Deformable


Virtual cutting of deformable objects is at the core of many applications in interactive simulation and especially in computational medicine. The ability to simulate surgical cuts, soft tissue tearing or fractures, is essential for augmenting the capabilities of existing or future simulation systems. In this thesis, we present a new remeshing algorithm based on the finite element method. For tetrahedral elements with linear shape functions, we combined remeshing algorithm with the movement of the nodes to the cutting surface, called snapping in the literature. Our approach shows benefits when evaluating the impact of cuts on the number of nodes and the numerical quality of the mesh. When applying our remeshing algorithm to quadratic shape functions, we observe similar results. Due to the curved surfaces of the elements, when using quadratic shape functions, the snapping of nodes entails higher challenges. Thus, to investigate into the snapping, experience has been gathered on triangular shell elements, simulating fractures. Beyond the simulation of fractures, our remeshing approach for tetrahedral elements is generic enough to support a large variety of applications. In this work, we are the first to present results on the detection of topological changes, such as fractures, tearing and cutting, from a monocular video stream. Ex amples with highly elastic silicone bands, in-vivo livers and ex-vivo kidneys show the robustness of our detection algorithm, which is combined with the remeshing approach, in different scenarios. Finally, the augmentation of internal organ structures highlights the clinical potential and importance of the conducted work.
La découpe virtuelle d’objets déformables est au cœur de nombreuses applications pour la simulation interactive. Nous présentons un nouvel algorithme de remaillage permettant la simulation de découpes avec la méthode des éléments finis. Nous avons combiné notre algorithme avec la méthode du "snapping" déplaçant les noeuds à la surface de coupe, pour des tétraèdres linéaires. Notre approche permet de maîtriser le nombre de noeuds et de la qualité numérique du maillage durant les coupes. Elle donne des résultats similaires pour les fonctions de forme quadratiques. Dans ce cadre, nous avons évalué le "snapping" pour simuler la fracture de surfaces triangulées. Nous avons appliqué nos résultats en 3D pour l’assistance aux gestes chirurgicaux, en étant les premiers à présenter des résultats sur la détection de déchirures dans un flux vidéo monoculaire. La robustesse de notre algorithme et l’augmentation des structures internes des organes souligne l’intérêt clinique de notre méthode.
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PhD Thesis Christoph Joachim PAULUS 2017.pdf (13.67 Mo) Télécharger le fichier

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tel-01516170 , version 1 (28-04-2017)


  • HAL Id : tel-01516170 , version 1


Christoph Joachim Paulus. Topological Changes in Simulations of Deformable Objects. Modeling and Simulation. University of Strasbourg, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01516170⟩
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