[发明专利]软组织形变仿真方法

摘要

本发明涉及一种软组织形变仿真方法，包括以下步骤：建立软组织的生物力学模型、并对其中的各个质点进行初始化；力反馈设备对软组织施加作用力，进行碰撞检测；用改进的欧拉算法计算运动状态信息；将模型每个时间步长的状态输出到显示屏上，动态显示软组织形变过程；计算反馈力并输出触觉反馈。通过采用上述步骤，能够有效解决虚拟手术仿真中的实时性、精确性以及反馈力光滑性问题，提高了软组织形变仿真的精度和实时性，从而满足虚拟手术仿真的需要。

主权项

一种软组织形变仿真方法，其特征在于包含以下步骤：步骤1)：采集软组织的数据信息，并采用基于四面体的质点‑弹簧体模型建立软组织的生物力学模型，该生物力学模型由n个质点组成，并且对于其中任意一个质点i，满足以下方程：$m_i\frac{{\∂}^2{x}_i}{\∂t^2}+F_{in}^i=F_{ext}^i$$F_{in}^i={\mathrm{\Σ}}_{j=j1}^{jq}\mathrm{\μ}\left(\right|x_j-x_i|-|x_j-x_i{|}^0)\frac{(x_j-x_i)}{|x_j-x_i|}+{\mathrm{\Σ}}_{j=j1}^{jq}\mathrm{\η}(v_j-v_i)$$a_i=\frac{F_{ext}^i-F_{in}^i}{m_i}$其中，m_i为质点i的质量，x_i表示质点i的位置矢量，表示与质点i相连的所有质点j施加于质点i的内力，与质点i相连的所有质点j包括j1至jq，x_j表示质点j的位置矢量，表示质点i所受外力，|x_j‑x_i|表示两个质点间位置矢量之差，|x_j‑x_i|⁰是发生形变前弹簧的长度，v_i为质点i的速度，v_j为质点j的速度，a_i为质点i的加速度，μ为弹簧的弹性系数，η为阻尼器的阻尼系数；步骤2)：依据步骤1)所建的生物力学模型，对其中的各个质点进行初始化，包括初始化各个质点的位置、质量、速度、加速度和受力信息，构建模型的初始状态，并且计算该模型中的每个质点与相连质点间的弹簧初始长度；步骤3)：外接的力反馈设备对软组织施加作用力，进行碰撞检测，确定软组织上发生碰撞的质点和受力发生形变的区域，以及软组织被按压或者拉伸的长度；步骤4)：用改进的欧拉算法计算发生形变区域内的各个质点的运动状态信息，其中运动状态信息包括发生形变区域内的各个质点的位置、速度和受力随时间变化的信息；计算过程具体为：步骤4.1)：经力反馈设备对软组织施加外作用力、并经碰撞检测，返回发生碰撞的质点的序列号r及所受外力并且当时刻k＝0时，步骤4.2)：计算质点r的加速度：$a_r\left(k\right)=\frac{F_{ext}^r-F_{in}^r\left(k\right)}{m_r}$步骤4.3)：用改进的欧拉算法求解质点r的速度和位移，其中用显示欧拉法对速度v_r进行迭代求解，用隐式欧拉法对位置矢量x_r进行求解：$v_r^{k+1}=v_r^k+\mathrm{\Δ}t\·a_r\left(k\right)$$x_r^{k+1}=x_r^k+\frac{\mathrm{\Δ}t}{2}\·(v_r^k+v_r^{k+1})$其中，为质点r在时刻k的速度向量，为质点r在时刻k+1的速度向量，为质点r在时刻k的位置向量，为质点r在时刻k+1的位置向量；步骤4.4)：计算质点r开始运动后与其相连质点间弹簧的长度及弹簧的形变量，并计算质点r所受内力步骤4.5)：循环执行步骤4.1)至4.4)，计算受力区域内其他质点的位置、速度及受力信息；步骤5)：依据步骤3)和步骤4)计算反馈力，并将该反馈力输出至力反馈设备；步骤6)：循环执行步骤4)至步骤5)，计算每个时间步长中各质点的运动状态，并在显示器上动态显示软组织的形变过程。