[發(fā)明專利]一種基于硅膠愈合模型的虛擬切割算法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810853505.0
• 申請日: 2018-07-29
• 公開（公告）號: CN109033641B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張小瑞;徐千雄;孫偉;宋愛國;徐慧
• 申請（專利權(quán)）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙) 32238
• 代理人: 張立榮;吳揚帆

本發(fā)明提出了一種基于硅膠愈合模型的虛擬切割算法，具體包括如下步驟：步驟1）建立有限元控制方程；步驟2）檢測切割條件產(chǎn)生切口，并實時產(chǎn)生納入硅膠愈合模型的網(wǎng)格模型；步驟3）實時狀態(tài)檢測；步驟4）實時渲染：對切口進行實時渲染，展現(xiàn)愈合效果。有益效果：納入了硅膠愈合模型，其中生物軟組織對虛擬手術(shù)刀的摩擦力是生物軟組織的基本特性，存在摩擦力進行模擬切割更加符合實際，更有利于手術(shù)醫(yī)師把握施力程度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于醫(yī)療模擬技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于硅膠愈合模型的虛擬切割算法。

背景技術(shù)

近年來，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，通過虛擬現(xiàn)實平臺模擬手術(shù)訓練得到可能。虛擬手術(shù)給予醫(yī)護人員極大的便利，他們可以使用該技術(shù)進行反復的模擬練習，提升自己的技術(shù)。目前的虛擬手術(shù)通過建模、渲染、計算將模擬手術(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，真實性仍舊不夠。在進行虛擬切割的過程中，生物軟組織對手術(shù)刀的摩擦力影響到了手術(shù)醫(yī)師把握施力程度，且身體不同部位，切割難易程度往往不同，這就需要手術(shù)醫(yī)師把握力度從而把握切割深度；生物軟組織的自愈能力也是非常重要的一環(huán)，根據(jù)切口大小、形狀、深度的不同，將切口類型大致分為兩種：需縫合切口與無需縫合切口，前者需要對切口進行縫補才可愈合，后者可自愈。

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)明提出一種基于硅膠愈合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，通過改進后的網(wǎng)格模型更好地實現(xiàn)力的反饋并能使手術(shù)醫(yī)生把控手術(shù)力度，所得到的模型更加具有真實性，具體由以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

所述基于硅膠愈合模型的虛擬切割算法，具體包括如下步驟：

步驟1)建立有限元控制方程；

步驟2)檢測切割條件產(chǎn)生切口，并實時產(chǎn)生納入硅膠愈合模型的網(wǎng)格模型；

步驟3)實時狀態(tài)檢測；

步驟4)實時渲染：對切口進行實時渲染，展現(xiàn)愈合效果。

所述基于硅膠愈合模型的虛擬切割算法的進一步設(shè)計在于，所述步驟1)包括如下步驟：

步驟1-1)根據(jù)式(1)得到有限元控制方程的矢量化形式：

其中，M是是元素的質(zhì)量矩陣，U是節(jié)點的位移向量，F(xiàn)^ext，F(xiàn)^int，F(xiàn)^damp分別表示單個結(jié)點上的外力，內(nèi)力和阻尼力；

步驟1-2)采用三角形網(wǎng)格作為虛擬血管模型的有限元，引入單個三角單元的局部剛度矩陣如式(2)：

[k^e]＝∫[B]^T[E][B]dS?(2)

其中，k^e是單個單元的全局剛度矩陣，B是位移矩陣的應變，E是組織特性的彈性模量矩陣；

步驟1-3)設(shè)定三角形單元中每個結(jié)點有三個自由度，設(shè)定每個結(jié)點的位置為x_i(i＝1,2,3,4)，有限元的位置矩陣如(3)：

步驟1-4)根據(jù)質(zhì)量集中機制把三角形的質(zhì)量分配給每個結(jié)點，根據(jù)式(4)從方程中得到一個三角形的質(zhì)量：

其中，m_I表示第I個三角形的質(zhì)量，e由與第I個結(jié)點相鄰的所有三角形有限元組成，ρ是組織材料的密度，S_e三角形有限元e表示的區(qū)域；