[發明專利]一種用于模擬微創穿刺手術的方法及其系統

在審

• 申請號: 201611052043.X
• 申請日: 2016-11-24
• 公開（公告）號: CN106781941A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 楊健;王涌天;唐宋元;叢偉建;林彤
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G09B23/28
• 分類號: G09B23/28
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司11002
• 代理人: 王慶龍

1.一種用于模擬微創穿刺手術的方法，其特征在于：其包括以下步驟，

步驟1，將人體組織與病變體的三維模型結合形成完整的病變人體三維組織模型；

步驟2，基于所述病變人體三維組織模型，構建具備生物力學特征的虛擬人體組織，并對所述虛擬人體組織進行表面半透明化處理；

步驟3，確認虛擬手術器械與虛擬人體組織發生碰撞，基于虛擬人體組織在軟組織形變及穿刺過程中對虛擬手術器械反饋的作用力，對虛擬人體組織產生力學變形并輸出視覺反饋，輔助規劃手術路徑。

2.如權利要求1所述的一種用于模擬微創穿刺手術的方法，其特征在于:步驟1中，人體組織和病變體的三維模型是通過導入掃描數據，在三維軟件中分別建模構建而成，并將三維軟件中構建成的三維模型進行網格化處理。

3.如權利要求1所述的一種用于模擬微創穿刺手術的方法，其特征在于:步驟2進一步包括：

構建彈簧質點模型；

基于彈簧質點模型所構建的模型中，每一個質點受到一個外部作用力F_ext，根據形變的運動學方程，獲得F_ext的第一種表達方式為：

$m\frac{{\mathrm{dx}}^2}{{\mathrm{dt}}^2}+D\frac{dx}{dt}+kdx=F_{ext}---\left(1\right);$

其中，m表示質點的質量，x表示質點的位移，t表示時間，D表示阻尼器的阻尼系數，K表示彈簧的彈性系數，F_ext表示該質點受到的外部作用力；

根據胡克定律和牛頓第二定律，F_ext的第二種表達方式為：

F_ext＝F_s+F_d+F_p (2)；

其中，F_s為質點所受到的彈簧彈力，F_d為質點受到的阻尼力，F_p為模擬的內部回復力；

結合公式(1)和公式(2)，計算出當前質點的位移量x，并將x至反饋在虛擬人體軟組織上。

4.如權利要求3所述的一種用于模擬微創穿刺手術的方法，其特征在于:步驟3進一步包括:

構建內部氣體分子力模型，利用克拉伯龍方程式計算出質點所受壓力；

通過壓強計算公式，獲得當前質點的內部回復力。

5.如權利要求1所述的一種用于模擬微創穿刺手術的方法，其特征在于：步驟3中，虛擬人體組織在接觸過程中對虛擬手術器械反饋的作用力F，該作用力F表示形式為：

$F=Kx+D\stackrel{\·}{x};$

其中，F為觸覺反饋力，K為彈簧的剛度系數，D為阻尼器的阻尼系數，x為虛擬手術器械當前位置與表面接觸點之間的距離，即碰撞深度；

步驟3中，虛擬人體組織在穿刺過程中對虛擬手術器械反饋的作用力F為虛擬手術器械與虛擬組織之間的摩擦力。