[发明专利]一种虚拟血管介入手术训练的模拟方法

说明书

本发明公开了一种虚拟血管介入手术训练的模拟方法，包括以下步骤：(1)使用基于点的方法对血管内部构建形变模型；(2)使用基于位置动力学法对血管内部节点施加距离约束、体积守恒约束和弹性势能守恒约束三种约束条件；(3)使用无网格移动最小二乘法构建从血管内部到血管表面的映射模型；本发明的方法不仅无需网格拓扑结构的初始划分和重构，甚至避免了采用网格法在产生大形变时的网格扭曲或畸形问题，而且考虑了血管的弹性特性和体积守恒特性，并提高了软组织形变模型的计算精度、稳定性和实时性。

技术领域

本发明涉及软组织力触觉模拟方法，具体涉及一种虚拟血管介入手术训练的模拟方法。

背景技术

心脑血管疾病是一种具有较高致残率和死亡率的疾病，主要通过血管介入手术进行诊断和治疗。传统血管介入手术训练是基于真实物体的解剖学，但该训练方法存在着些许不足与问题。随着计算机技术、仿真技术和虚拟现实技术的发展，虚拟血管介入手术训练逐渐成为一种新型的治疗心脑血管疾病的方法，为外科医生提供了良好的血管介入手术训练平台，他们可以根据具体需求进行反复练习，从而提高其手术水平，但搭建虚拟血管介入手术训练系统的一个重要技术难点就是对虚拟血管的高精度模拟。

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甚至扭曲，从而导致计算复杂度太高和计算量太大；质点弹簧模型将软组织离散化为一系列由弹簧相连的质点，质点同时受到弹簧的弹力作用和阻尼器的阻尼力约束，然后，根据牛顿第二定律对每个节点建立拉格朗日运动方程，最后通过求解此力学方程得到各节点的形变位移量，该模型结构简单易于实现，但模型稳定性差和仿真精度低。

综上，现有的有限元模型和质点弹簧模型等网格模型存在着当出现大形变时网格扭曲、拓扑结构重构时计算复杂、速度慢，且计算精度降低等问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种能够避免采用网格法在产生大形变时的网格扭曲或畸形，提高软组织形变模型的计算精度、稳定性和实时性的虚拟血管介入手术训练的模拟方法。

技术方案：本发明的虚拟血管介入手术训练的模拟方法，包括以下步骤：

(1)使用基于点的方法对血管内部构建形变模型；

(2)使用基于位置动力学法对血管内部节点施加距离约束、体积守恒约束和弹性势能守恒约束三种约束条件；

(3)使用无网格移动最小二乘法构建从血管内部到血管表面的映射模型。

步骤(1)中，所述使用基于点的方法对血管内部构建形变模型，是指根据血管的医学影像数据，使用基于点的方法将血管内部离散化为一系列基于四面体的点云，并将血管的体积均匀分配给节点，通过获得节点的应力和应变来计算节点的形变位移向量。

所述通过获得节点的应力和应变来计算节点的形变位移向量，包括以下步骤：

(a)使用多项式核函数ω_ij来衡量中心节点i对其邻节点j的影响能力，具体计算公式为：

式中，h表示节点i的支撑半径，r表示节点i与其邻节点j之间的距离；

(b)计算节点i位移向量u_i的空间导数具体计算公式为：

式中，和分别表示节点i的位移场u＝(m,n,p)^T中横坐标所对应的值m的空间导数、纵坐标所对应的值n的空间导数以及竖坐标所对应的值p的空间导数；