[發(fā)明專利]一種基于磁性氧化模型的虛擬切割方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810853504.6
• 申請日: 2018-07-29
• 公開（公告）號: CN108920875B
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張小瑞;徐千雄;孫偉;宋愛國
• 申請（專利權(quán)）人: 南京信息工程大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G16H50/00;G06F119/14
• 代理公司: 南京匯盛專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32238
• 代理人: 張立榮;吳揚(yáng)帆

本發(fā)明提出了一種基于磁性氧化模型的虛擬切割算法，具體包括如下步驟：步驟1)建立基于無網(wǎng)格的彈性軟組織控制方程；步驟2）通過準(zhǔn)線性黏彈性模型并入非線性粘彈性，得到應(yīng)力應(yīng)變行為的非線性描述；步驟3）加入磁性氧化模型的網(wǎng)格模型：在網(wǎng)格與手術(shù)刀接觸面的背側(cè)納入鐵單質(zhì)；在網(wǎng)格與手術(shù)刀接觸面實(shí)時(shí)產(chǎn)生網(wǎng)格模型，并在網(wǎng)格模型下檢測切割條件產(chǎn)生切口；步驟4）對所述網(wǎng)格模型進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測，得到接觸面上點(diǎn)的位移與實(shí)時(shí)點(diǎn)的位置圖；步驟5）實(shí)時(shí)對組織衰敗部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)匿秩句秩尽Ｓ幸嫘Ч涸诂F(xiàn)有網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上納入了磁性氧化模型，本方法虛擬的手術(shù)刀的擠壓力更有利于手術(shù)醫(yī)師把握手感。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于醫(yī)療模擬技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于磁性氧化模型的虛擬切割算法。

背景技術(shù)

近年來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過虛擬現(xiàn)實(shí)平臺模擬手術(shù)訓(xùn)練得到可能。虛擬手術(shù)給予醫(yī)護(hù)人員極大的便利，他們可以使用該技術(shù)進(jìn)行反復(fù)的模擬練習(xí)，提升自己的技術(shù)。目前的虛擬手術(shù)通過建模、渲染、計(jì)算將模擬手術(shù)的過程呈現(xiàn)在平臺上，使用了有限元模型、無網(wǎng)格模型等。然而，目前虛擬手術(shù)技術(shù)考慮的方面仍不全面，真實(shí)性仍舊不夠。在做力的反饋時(shí)，血肉對刀具的擠壓力以及該過程中的粘彈性對手術(shù)的操作有著較大的影響；而血肉與空氣接觸過久，容易引發(fā)感染，在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺中引入這一點(diǎn)，可以使醫(yī)生把握手術(shù)速度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于磁性氧化模型的網(wǎng)格模型的虛擬切割算法，該方法能夠在不降低變形精度的情況下，通過改進(jìn)后的網(wǎng)格模型更好地實(shí)現(xiàn)力的反饋并能使手術(shù)醫(yī)生把控手術(shù)進(jìn)程，所得到的模型更加具有真實(shí)性，具體由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

所述基于磁性氧化模型的虛擬切割算法，具體包括如下步驟：

步驟1)建立基于無網(wǎng)格的彈性軟組織控制方程；

步驟2)通過準(zhǔn)線性黏彈性模型并入非線性粘彈性，得到如式(1)的應(yīng)力應(yīng)變行為的非線性描述；

其中，σ為應(yīng)力，ε是應(yīng)變張量，t表示某一時(shí)刻，是考慮與應(yīng)變相關(guān)的彈性非線性的函數(shù)，E(t-τ)為松弛函數(shù)，τ為一常數(shù)。

步驟3)加入磁性氧化模型的網(wǎng)格模型：在網(wǎng)格與手術(shù)刀接觸面的背側(cè)納入鐵單質(zhì)；在網(wǎng)格與手術(shù)刀接觸面實(shí)時(shí)產(chǎn)生網(wǎng)格模型，并在網(wǎng)格模型下檢測切割條件產(chǎn)生切口；

步驟4)對所述網(wǎng)格模型進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測，得到接觸面上點(diǎn)的位移與實(shí)時(shí)點(diǎn)的位置圖；

步驟5)實(shí)時(shí)對組織衰敗部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)匿秩句秩尽?/p>

所述基于磁性氧化模型的虛擬切割算法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述步驟1)中當(dāng)施加力時(shí)，用X＝(x,y,z)^T表示點(diǎn)的原始材料坐標(biāo)，設(shè)定將所述點(diǎn)移動到新的位置X'＝(x',y',z')^T，導(dǎo)致軟組織變形。

所述基于磁性氧化模型的虛擬切割算法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述軟組織變形的方式替換為通過位移場U＝(u(x,y,z),v(x,y,z),w(x,y,z))實(shí)現(xiàn)軟組織的變形，原始位置與變形得到的新位置之間的關(guān)系、相互間作用力的表示分別如式(2)、式(3)：

U＝X'-X (2)

其中，U為位移場，X'表示軟組織變形得到的新位置，X表示軟組織變形的原始位置，f為相互間的作用力，E為彈性系數(shù)，是位移場的梯度。

所述基于磁性氧化模型的虛擬切割算法的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述步驟2)中設(shè)定在t＝t₀的時(shí)刻一外力作用于軟組織，引起瞬時(shí)應(yīng)變，該應(yīng)變用階躍函數(shù)表示如式(4)，

ε(t)＝H(t)ε₀ (4)