[发明专利]外科手术软组织变形的仿真方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于生物力学仿真技术领域，尤其涉及外科手术软组织变形的仿真方法及装置。

背景技术

近年来，尽管各种医疗手段都取得了巨大的进步，但是对于情况较为严重的病患，手术依然是治愈率最高的一种。虚拟现实技术的手术仿真可以有效地缩短实习医生进行手术训练的周期，其主要应用包括术前医学影像处理、解剖结构可视化、生物力学模拟等。

在虚拟现实技术的手术仿真领域，交互式生物力学仿真是一项关键技术，近年来发展起来的无网格方法阐述了不使用网格在传统意义上的优势，这对于几何形状复杂的研究对象来说处理方式更为灵活。此外，由于拉格朗日框架对质点分布的广泛兼容性，无网格法可以较容易地控制有限应力及大尺度形变，自五十年代有限元法出现之后，无网格方法已成为最具扩展性的仿真方法。然而，无网格方法仍然存在着高精度几何模型带来的高计算复杂度的问题同时，在外科手术过程中软组织变形的情况下，将不得不使用网格定义以控制可能出现的大尺度变形。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了交互式生物力学的仿真方法及装置，以解决无网格法无法处理外科手术仿真中软组织大尺度变形的问题。

第一方面，提供了一种外科手术软组织变形的仿真方法，包括：

在外科手术仿真过程中，对软组织中的每个粒子i，计算其形变梯度其中，为粒子i的基本矩阵A_i，所述j为所述粒子i的邻域粒子，所述w_ij为权值，所述u_ij为初始时刻粒子i和邻域粒子j的间距，所述x_ij为当前时刻粒子i和邻域粒子j的间距；

对所述形变梯度F_i进行奇异值分解得到奇异值矩阵并计算对角化后所述粒子i的第一应力所述I为单位矩阵，所述λ和μ均为拉梅系数；

计算所述粒子i的每个邻域粒子j对所述粒子i的作用力根据计算结果对所述软组织进行形变处理，所述v_i为所述粒子i的体积。

第二方面，提供了一种外科手术软组织变形的仿真装置，包括：

第一计算单元，用于在外科手术仿真过程中，对软组织中的每个粒子i，计算其形变梯度其中，为粒子i的基本矩阵A_i，所述j为所述粒子i的邻域粒子，所述w_ij为权值，所述u_ij为初始时刻粒子i和邻域粒子j的间距，所述x_ij为当前时刻粒子i和邻域粒子j的间距；

第二计算单元，用于对所述形变梯度F_i进行奇异值分解得到奇异值矩阵并计算对角化后所述粒子i的第一应力所述I为单位矩阵，所述λ和μ均为拉梅系数；

第三计算单元，用于计计算所述粒子i的每个邻域粒子j对所述粒子i的作用力根据计算结果对所述软组织进行形变处理，所述v_i为所述粒子i的体积。

本发明实施例基于点的方法来重现外科手术交互过程中人体器官的生物力学反应，在软组织的形变中，其每个粒子的位置变化仅仅取决于材料性质，能够达到很好的模型精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的外科手术软组织变形的仿真方法的实现流程图；

图2是本发明另一实施例提供的外科手术软组织变形的仿真方法的实现流程图；

图3是本发明实施例提供的实验中采用的带有纹理的表面渲染模型图；

图4是本发明实施例提供的实验中采用的连续介质粒子化表达示意图；

图5是有限元法和本发明实施例方案的变形效果图；

图6是基于点的方法与本发明实施例方案在体积上的比较示意图；

图7是基于点的方法与本发明实施例方案在运行时间上的比较示意图；

图8是基于点的方法与本发明实施例方案在视觉效果上的对比示意图；

图9和图10分别是肝和胃在大变形下的仿真效果示意图；

图11是本发明实施例提供的外科手术软组织变形的仿真装置的结构框图。

具体实施方式