[发明专利]一种非线性的质点弹簧软组织形变仿真方法

说明书

本发明公开一种非线性的质点弹簧软组织形变仿真方法，包括步骤：采集软组织的医学影像数据，对器官图像分割，利用Delaunay三角面片网格剖分得到三维面网格数据；在三维网格剖分的基础上，以网格节点为质点，节点之间连接的边为由结构弹簧和阻尼弹簧并联组成的弹簧组件，形成质点弹簧软组织模型，手术器械和质点弹簧软组织模型之间是否发生碰撞，若发生碰撞则计算各质点受力，更新质点位置与质点速度，计算质点弹簧软组织模型表面质点的形变值，直至手术器械和质点弹簧软组织模型之间不发生碰撞为止；然后输出仿真结果并进行视觉渲染后结束整个流程。本发明能够更准确的实时仿真软组织的形变。

技术领域

本发明涉及软组织形变建模技术领域，特别是涉及一种非线性的质点弹簧软组织形变仿真方法。

背景技术

在解剖教学、手术模拟和手术训练等领域中，对于器官和组织的物理运动模拟是一个核心问题。人体组织器官一般具有软组织特性，通常表现为不均匀性、各向异性、准不可压缩性、非线性、塑性和粘弹性等材料性质，对于此类软组织形变过程的精准、实时模拟一直都是很有挑战的研究课题。质点弹簧模型是人体软组织建模方面应用较多的模型之一，现有的基于质点弹簧模型的交互式软组织形变仿真模型大多将软组织的应力-应变的本构关系简化为线性关系。其计算复杂度低且易于对时间进行离散化进而迭代计算但其计算精度不高。

由于实时模拟计算的需要，现有的方法多采用线弹性理论描述软组织形变，即假定应力分量与无穷小应变之间存在线滞后关系。采用线弹性模型的优点是，在整个模拟过程中，全局刚度矩阵是恒定的可以预先计算、反演和存储，提高计算效率。事实上，生物软组织是非线性的材料，只有在小变形的情况下可以近似为线性材料。另外，软组织形变中的大变形、大转动、大位移都会产生几何非线性，这并不是经典的线弹性理论能解决的。

总之，现有的基于质点弹簧模型的交互式仿真系统为保证实时求解模型均简化软组织形变为线弹性模型，来提高计算效率。使用线弹性作为基本模型的假设尽管在运行时可减少计算量，但同时限制了建模物理材料的精度。更重要的是，线弹性模型只能近似于小位移、小形变情况下的软组织形变。然而，生物软组织具有材料非线性特性，且在形变量大的情况下具有几何非线性特性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种非线性的质点弹簧软组织形变仿真方法，将欧拉弹性用于刻画质点弹簧模型中的弹簧形变进而表征软组织的非线性性，即将欧拉弹性能量用于刻画质点弹簧模型中的弹簧形变量,进而计算弹簧长度可以得到满足非线性的应力-应变关系，进而用来表征软组织非线性的本构关系。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种非线性的质点弹簧软组织形变仿真方法，包括步骤：

采集软组织的医学影像数据，对器官图像分割，利用Delaunay三角面片网格剖分得到三维面网格数据；

在三维网格剖分的基础上，以网格节点为质点，节点之间连接的边为由结构弹簧和阻尼弹簧并联组成的弹簧组件，形成质点弹簧软组织模型；

检测手术器械和质点弹簧软组织模型之间是否发生碰撞，若发生碰撞则计算各质点受力，更新质点位置与质点速度，计算质点弹簧软组织模型表面质点的形变值，直至手术器械和质点弹簧软组织模型之间不发生碰撞为止；

输出仿真结果并进行视觉渲染后结束整个流程。

本发明考虑到生物软组织的非线性性，能够更准确的实时仿真软组织的形变。本发明的非线性的质点弹簧软组织形变仿真方法更接近于真实的软组织生物力学特性，可以有效地保证仿真的精度和计算复杂度。

附图说明

图1是非线性的质点弹簧软组织形变仿真方法的流程图；

图2是肝脏三角网格剖分可视化结果图；

图3是两个质点间的弹簧组件示意图；