[发明专利]软组织按压和形变恢复的模拟方法

说明书

本发明公开了一种软组织按压和形变恢复的模拟方法，该方法用于模拟虚拟手术中对肝脏进行的按压排查过程，使用添加弯曲弹簧的质点弹簧模型对肝脏表面构建面模型，并采用粒子群算法对模型参数进行优化，然后使用基于层状的内部质点域约束对肝脏内部构建体模型，并在层状质点域之间采用约束弹簧元件进行连接。本发明方法不仅提高了质点弹簧模型在产生大形变时的形变恢复能力和计算效率，增强了其形变准确性和真实性，而且解决了传统质点弹簧模型无法模拟内部体积力的难点，并模拟了软组织形变过程的粘弹特性。

技术领域

本发明涉及一种软组织力触觉模拟方法，尤其涉及一种用于模拟软组织按压和形变恢复的模拟方法。

背景技术

在对人体软组织，例如肝脏，实施手术的过程中，首先需要对肝脏进行按压感知以确定病变区域。现有技术中，提到了通过虚拟手术训练系统来为外科医生提供手术训练学习的条件与平台，实现虚拟手术系统的一个重要技术难点就是对虚拟肝脏或者其他软组织的高精度模拟。

在现有的虚拟软组织模拟方法中，有限元模型将问题求解域划分为若干个互不重叠的单元，通过单元形函数和节点插值函数建立刚度矩阵进而构建描述软组织材料力学特性的近似函数模型，由函数模型获得各单元内节点位移就可用来表现软组织的形变，因此其形变仿真精度最高，但在形变过程中网格拓扑结构会不断重组，从而导致计算复杂度太高和计算量太大，无法应用在实时性较强的虚拟手术中。为了降低计算的复杂度提高计算效率，提出了质点弹簧模型来模拟软组织的形变。因为该模型结构简单、计算复杂度低、易于实现并且能满足仿真实时性要求，但是传统的质点弹簧模型稳定性差，形变精确度低，且由于模型参数与软组织的物理性质没有直接联系，因此很难在保持模型真实性的情况下确定参数的大小，而且此模型在撤销外力后的形变恢复过程与实际软组织的恢复情况无法很好的吻合，恢复过程的模拟精度较压缩过程更差，甚至在产生大形变时恢复速度过于缓慢，与实际的软组织的恢复能力大相径庭。在一般情况下，通常使用质点弹簧面模型进行形变仿真，因而其无法模拟软组织内部体特性。可以看到，现有的简单质点-弹簧模型的模拟效果并不理想，尤其在形变恢复的模拟过程中达不到精度的要求。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种用于虚拟手术系统的软组织模拟方法，模拟软组织在外力按压作用下的形变以及撤销外力后的形变恢复情况，该方法既能满足仿真实时性要求，又能同时提高对软组织形变以及形变恢复能力的模拟精确度，解决了撤销外力后软组织形变恢复的模拟问题，也解决了使用面模型模拟形变的情况下无法描述软组织体积特性的问题。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种软组织按压和形变恢复的模拟方法，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；其中，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。

(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；所述的粒子群算法中定义适应度函数为：