[發明專利]采用逐次逼近法求解虛擬彈性組織模型力平衡的方法

無效

• 申請號: 200910073291.6
• 申請日: 2009-11-27
• 公開（公告）號: CN101706841A
• 公開（公告）日: 2010-05-12
• 發明（設計）人: 樸明波;付宜利;潘博
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 楊立超

技術領域

本發明涉及一種求解虛擬彈性組織力學模型(虛擬彈性組織)力平衡的方法，具體涉及一種微創外科手術仿真中采用逐次逼近法求解虛擬彈性組織模型力平衡的方法，屬于微創外科手術仿真領域。

背景技術

隨著計算機性能的提高、計算機圖形學與數據可視化技術的發展，手術仿真系統慢慢發展起來，這對于手術規劃和醫生培訓具有十分重要的意義。

目前，一般認為醫學仿真系統應分為三代：第一代醫學仿真是在解剖結構意義下的醫學仿真，重點是表現人體的幾何特性，即利用人體解剖數據集重建三維虛擬器官或人體，主要提供虛擬器官的視覺、形態效果，兼具一定的交互性，即主要是視覺反饋的真實性；第二代醫學仿真是物理意義上的醫學仿真，不僅在視覺上呈現人體組織的解剖結構，還應表現出器官組織的生物力學特性，即視覺反饋和力反饋的真實性；第三代醫學仿真則是生理意義上的醫學仿真，可以在某種程度上呈現器官的生理功能，即視覺反饋、力反饋和生理反饋的真實性。目前的手術仿真系統所處階段相當于一代半，即應用三維重建技術可以實現組織或器官的幾何特征，但是對于組織或器官的力學特性尚處于攻堅階段。即使有力學模型符合某種組織或器官，其仿真耗時大多也較長，較難應用于實時仿真系統。

在微創外科手術仿真中，使用虛擬手術器械對虛擬組織進行操作。虛擬手術器械與虛擬組織的交互作用表現在兩方面：虛擬組織在虛擬手術器械作用下變形的圖形反饋和虛擬組織對虛擬手術器械的反作用力，這兩方面在本質上統一為對虛擬組織求解力平衡。人體中不同組織的生物力學特性不同，同時，每種組織的生物力學特性也較為復雜，它們的力學特性不能使用解析式表示，因此，在力平衡求解中基本上都是使用數值算法。

真正的人體組織均為粘彈性組織，但是當人體組織的粘彈性較弱時，可以將人體組織視為彈性組織。目前最常用的彈性人體組織的力學模型主要有兩大類，一類為基于彈簧-振子模型的力學模型，一類為有限元模型。對于具有基于彈簧-振子模型的力學模型的組織力平衡求解問題，主要使用牛頓運動學方程、歐拉法或龍格庫塔法進行求解，這些方法的主要缺點是實現起來相對困難，其算法較為復雜，同時，在參數設定不當時，計算耗時較大；對于使用有限元模型的組織力平衡求解問題，是基于虛位移原理和最小位能原理并應用彈性力學基本知識進行求解，其主要缺點在于計算量過大導致計算耗時過大，較難用于實時仿真。

如果單純依靠提高硬件性能來彌補算法缺陷，則由于高性能的硬件必然伴隨著極為昂貴的價格，這對普通醫院是較大的負擔，對于微創手術仿真的實際應用是一個較大障礙。

發明內容

本發明為了解決現有的創外科手術仿真中的虛擬彈性組織力平衡求解方法存在算法較為復雜、計算耗時較大、較難用于實時仿真的問題，進而提供了一種采用逐次逼近法求解虛擬彈性組織模型力平衡的方法.

虛擬彈性組織模型——彈簧-振子模型的每個質點和其相鄰質點以彈簧連接，如圖1所示，圖1所示為二維模型，三維模型與此相似。

在力平衡狀態下，對于每一質點i，均有：

Σj=0qkijϵ→ij=0---(1)]]>

其中，i為組織模型中的點序號，q是該點的鄰點數目，k_ij是第i個點與其第j個鄰點間彈簧彈性系數，α是決定k_ij的一個常量，是初始狀態下第i個點與其第j個鄰點的距離；是第i個點與其第j個鄰點間彈簧的應變，即伸長量，是從第i個點指向該點第j個鄰點的矢量，是第i個點的位置，是第i個點的第j個鄰點的位置；是初始狀態下從第i個點指向該點第j個鄰點的矢量，是初始狀態下第i個點的位置，是初始狀態下第i個點的第j個鄰點的位置。

考慮到直接應用公式(1)求解組織力平衡十分困難，本發明使用了一種逐次逼近方法求解組織力平衡，本發明的技術方案是：