[发明专利]一种融入生物特性的高保真度肺部变形模型及其建模方法

说明书

一种融入生物特性的高保真度肺部变形模型及其建模方法，属于非接触医疗技术领域。其包含右柯西‑格林变形张量的第四不变量、非线性黏弹塑性模型和PHANTOM OMNI手控器，所述右柯西‑格林变形张量的第四不变量表示肺部组织的各向异性，所述非线性黏弹塑性模型表示肺部组织的非线性、黏弹性和黏塑性的生物特性，所述PHANTOM OMNI手控器进行操作来感知手术过程中的反馈力；所述非线性黏弹塑性模型由三元素模型与非线性黏塑性模型相串联形成，真实地描述肺部虚拟手术蠕变的全过程，提高模型的保真度。

技术领域

本发明涉及一种融入生物特性的高保真度肺部变形模型及其建模方法，属于非接触医疗技术领域。

背景技术

新冠肺炎具有极强的传染力，对各个国家的经济、政治、社会以及人们的生命安全都带来了巨大的威胁，累计确诊人数数以亿计，世界各地的医疗机构都在积极寻找解决办法，然而，带传染性的疾病远不止新冠病毒一种，如霍乱、狂犬病、猩红热、登革热、流行性乙型脑炎、细菌性和阿米巴性痢疾、肺结核等，加强对医护人员的防护成为传染病防治中的当务之急，非接触式医疗凭借着能够减少医生和患者接触的独特优势脱颖而出，使直接或间接降低感染风险成为可能。

实践证明，非接触式医疗可以为患者提供更便利的治疗，在保障了对患者及时治疗的同时，在很大程度上维护患者和医护人员的生命安全。在非接触式医疗的发展过程中，实现人机交互一直以来都是研究的重难点，尤其是对柔性体变形的处理，如何为医生呈现更加真实且保真度高的手术变形场景对于手术的正常实施至关重要。但由于普通的黏弹性模型无法很好模拟肺部蠕变且忽视了在断裂之前肺部组织的非线性黏塑性形变过程，降低了肺部虚拟手术形变模拟的真实感。

发明内容

本发明针对背景技术的不足，提供了一种更加真实的融入生物特性的高保真度肺部变形模型及其建模方法。

本发明的技术方案：

本发明一种融入生物特性的高保真度肺部变形模型，其包含右柯西-格林变形张量的第四不变量、非线性黏弹塑性模型和PHANTOM OMNI手控器，所述非线性黏弹塑性模型由三元素模型与非线性黏塑性模型相串联形成，所述三元素模型通过弹簧Ⅰ与黏壶Ⅰ串联、再与弹簧Ⅱ并联形成，所述非线性黏塑性模型通过塑性元件、黏壶Ⅱ并联形成；

所述弹簧Ⅰ、弹簧Ⅱ表示软组织的线弹性特性，所述黏壶Ⅰ、黏壶Ⅱ表示软组织结构变化时的阻尼特性。

所述右柯西-格林变形张量的第四不变量表示肺部组织的各向异性，所述非线性黏弹塑性模型表示肺部组织的非线性、黏弹性和黏塑性的生物特性，所述PHANTOM OMNI手控器进行操作来感知手术过程中的反馈力；

所述非线性黏弹塑性模型，其蠕变方程由下式表示：

其中，ε代表应变，σ代表应力，σ＝σ₁+σ₂，σ₁和σ₂是两个分应力，分别表示弹簧Ⅰ与黏壶Ⅰ串联的应力以及弹簧Ⅱ的应力，E₁和E₂分别表示弹簧Ⅰ、弹簧Ⅱ的刚度，t表示时间，τ代表蠕变松弛时间，η₁是三元素模型中黏壶Ⅰ的黏度，σ_s表示屈服极限，η₂表示非线性黏塑性模型中黏壶Ⅱ的黏度，n为非线性黏塑性模型的蠕变指数。

进一步地，所述右柯西-格林变形张量的第四不变量I₄表示为：

其中，a表示坐标矢量，a^T表示坐标矢量的转置，C为右柯西-格林变形张量，F为变形梯度张量，F^T为变形梯度张量的转置；

具有各向异性的肺部组织的应变能密度函数Ψ^aniso(I₁,I₂,I₄)可以写为：