[发明专利]一种基于位置约束和非线性弹簧的软组织建模方法

说明书

本发明公开了一种基于位置约束和非线性弹簧的软组织建模方法，包括(1)构建由非线性弹簧和虚拟体弹簧形成的四面体单元构成的软组织模型；(2)模拟软组织模型的形变行为；(3)预估每个节点的近似位置，再判断节点约束方程的状态是否改变，约束包括弹簧长度和弯曲度约束；若方程的初始状态改变，将修正节点到合理范围内的正确位置；若方程的初始状态未改变，那么非线性弹簧和虚拟体弹簧将模拟软组织的形变效果；(4)计算形变的单步迭代结束，进入下一轮循环。本发明采用非线性弹簧系统和虚拟体弹簧来模拟软组织的生物力学特性，还采用新的约束方程来限制节点位移以此增强模型稳定性，改善了传统质点弹簧模型精确性较差且不稳定的缺陷。

技术领域

本发明属于软组织形变模型建模技术领域，具体涉及一种基于位置约束和非线性弹簧的软组织建模方法，用于解决虚拟手术实验中软组织建模问题。

背景技术

虚拟手术是一种可以在低成本模式下逼真地模拟手术环境的重要的外科手术辅助训练系统。虚拟手术不仅能为使用者提供可视化需求，还能使医生熟悉手术器械的使用，积累手术技能。目前，一个完善的虚拟手术系统应该同时具备三个需求：实时性，精确性，稳定性。软组织建模是虚拟手术中的核心模块之一，模型的精细程度对系统的可靠性起着决定性的作用。

软组织建模方法主要包括几何建模法和物理建模法。几何建模法通过对医学图像进行三维重建重绘软组织的几何模型，而物理建模法则是根据软组织的生物力学和运动学特性建立物理模型。几何建模法计算简单，但没有考虑物体材料的本构关系，因此无法保证模型的精确性(脑外科虚拟手术中软组织形变及撕裂模型研究，南昌大学，2016)。目前，常见的物理建模方法包括有限元法(Finite Element Method，FEM)和质点弹簧法(Mass-spring Method，MSM)(Soft Tissue Deformation and Optimized Data Structures forMass Spring Methods，IEEE International Conference on BioinformaticsBioengineering.IEEE，2009：22-24)。

FEM是一种将连续域问题离散化为若干有限元的基于连续介质理论的建模方法，模型的形变是根据生物力学作为基础求解而得，基于FEM的软组织模型具有较高的精确性(An Introduction to The Finite Element Method，Topics in EngineeringMathematics，1992(81)：37-60)。因此，有限元法在软组织建模中得到了广泛的应用。虽然FEM能精确地模拟力学特性，然而人体软组织的生物特性通常较为复杂，内部结构精细，这将导致FEM的求解消耗大量资源，无法满足虚拟手术在实时交互上的需求(A SurfaceMass-Spring Model With New Flexion Springs and Collision Detection AlgorithmsBased on Volume Structure for Real-Time Soft-Tissue Deformation Interaction，IEEE Access，2018，6：75572-75597)。

与连续物理模型不同，MSM将软组织模型离散为多个质点，质点间的相互作用由连接着质点的弹簧实现(Calibration of Mass Spring Models for Organ Simulations，IEEE/RSJ International Conference on Intelligent RobotsSystems.IEEE，2007：370-375)。与FEM相比，MSM具有计算效率高，非常适用于拓扑结构频繁变化的模型。在计算机图形领域，基于MSM的软组织建模已经得到了广泛应用。目前，已经有研究者将连续碰撞检测算法用于虚拟手术中。