[发明专利]软组织按压和形变恢复的模拟方法

权利要求书

1.一种软组织按压和形变恢复的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采集软组织的医学影像数据，使用基于三角拓扑结构的质点弹簧模型构建软组织面模型，所述质点弹簧模型是将每个三角拓扑结构的三个顶点作为质点，质点之间由弹簧组件连接，所述弹簧组件由结构弹簧、弯曲弹簧和阻尼器并联组成；

(2)使用粒子群算法对质点弹簧模型中的结构弹簧和弯曲弹簧的弹性系数、阻尼器的阻尼系数进行优化；

(3)建立软组织内部体模型，所述内部体模型是将软组织内部划分为一系列与软组织表面相平行的平面，每个平面上存在有数目相同的有限个质点，每个质点在其相邻的层间都有其对应的质点，且相邻平面之间通过约束弹簧相连，所述约束弹簧由阻尼器串接第二弹簧后与第一弹簧并联组成；

(4)将步骤(2)中获得的弹性系数和阻尼系数的全局最优解代入建立的软组织表面质点的动力学方程，计算得到软组织中表面质点的形变值，并通过软组织内部层间约束模型的应变分布函数，得到软组织内部质点域的形变分布情况。

2.根据权利要求1所述的软组织按压和形变恢复的模拟方法，其特征在于：步骤(1)中所述的弯曲弹簧对软组织表面内的某个质点x_i的弯曲弹簧力表达式如下：

其中表示连接质点x_i和x_j的弯曲弹簧的弹性系数，p⁰(j)-p⁰(i)表示质点x_i和x_j间的初始位移向量，p(j)-p(i)表示质点x_i和x_j间的当前位移向量，θ_ij表示初始位移向量和当前位移向量之间的夹角，d_ij为弯曲弹簧力的方向向量。

3.根据权利要求1所述的软组织按压和形变恢复的模拟方法，其特征在于：步骤(2)中所述的粒子群算法中定义适应度函数为：

其中Θ表示两个模型中所有对应质点位置差距的总和，p_i表示第i个质点在质点弹簧模型中所处的位置，q_i表示第i个质点在有限元模型中所处的位置，k^s表示结构弹簧的弹性系数，k^f表示弯曲弹簧的弹性系数，d表示弹簧的阻尼系数，E表示杨氏模量，v表示泊松比；

所述的粒子群算法中的更新公式为：

v_i＝w·v_i+c₁·rand()·(pbest_i-x_i)+c₂·rand()·(gbesf-x_i)

x_i＝x_i+v_i

其中v_i，x_i分别表示第i个粒子的速度和位置，w表示惯性因子，一般取[0，1]区间的数，这里假设其值为0.5，c₁，c₂表示学习因子，通常取固定值2.0，rand()表示介于(0，1)之间的随机数，pbest_i表示第i个粒子的历史最优解，gbest表示粒子群体的全局最优解。

4.根据权利要求1所述的软组织按压和形变恢复的模拟方法，其特征在于：步骤(3)中所述的约束弹簧的本构方程为：

式中σ₁表示应力，σ₂表示应力的导数，ε₁表示应变，ε₂表示应变的导数，E₁，E₂分别表示第一弹簧和第二弹簧的弹性系数，η表示阻尼器的阻尼系数。

5.根据权利要求1所述的软组织按压和形变恢复的模拟方法，其特征在于：步骤(4)中所述的软组织表面质点的动力学方程为：

其中

式中m_i，x_i分别表示第i个质点的质量和位置，f_i^d，f_i^s，f_i^f，分别表示第i个质点所受的阻尼力、结构弹簧力、弯曲弹簧力和外力，n表示与第i个质点相连的质点数；

软组织内部层间约束模型的应变分布函数为：

式中y_i表示与软组织表面受外力作用的质点P_i对应的内部质点域中的质点P_i′的形变量，y_j表示内部质点域中质点P′_j的形变量，d_ij表示内部质点域中质点P_i′和P′_j间的距离。