The invention discloses a virtual cutting method based on mesh model incorporating Kelvin viscoelastic model, builds Kelvin viscoelastic model, solves displacement increment in time from parameters of virtual cutting material and cutting time, calculates new displacement, strain and stress of each node, and generates simulated notches for mesh. The Kelvin viscoelastic model is introduced to solve the problems of mesh distortion and continuous cutting in the finite element model and the problems of different deformation forms in the meshless model. And it greatly reduces the amount of calculation and optimizes the performance. According to this model, only the position of the point at which the force is applied is calculated for deformation, but after the force is withdrawn, the balance of force is broken, and the mesh is automatically restored, which reduces the amount of calculation. For cutting, the viscoelastic mesh lines between openings are removed to make the mesh deform automatically, which is more consistent with the traditional approximate shape and size of openings. It is practical and easy to operate.
【技术实现步骤摘要】
基于纳入开尔文粘弹性模型的网格模型的虚拟切割方法
本专利技术涉及虚拟切割,尤其是基于纳入开尔文粘弹性模型的网格模型的虚拟切割方法。
技术介绍
近年来,随着虚拟现实技术的不断发展,通过虚拟现实进行模拟手术得到可能。虚拟手术给予医护人员极大的便利,他们可以使用该技术进行反复的模拟练习,提升自己的技术。目前的虚拟手术通过建模、渲染、计算将模拟手术的过程呈现在平台上,使用了有限元模型、无网格模型等。然而,有限元模型、无网格模型都有一些缺点。对于有限元模型,它深深依赖于网格,而扭曲的或者低质量的网格会造成很大的误差。在重新啮合过程中,产生的失真元素甚至会导致模型不稳定。相比于经典的基于网格模型的基础结构,它不适合模拟切割网格结构和连续性的切割。而无网格模型的目的是克服与有限元模型相关的问题。与有限元模型相比,无网格模型在离散和分离点元素的基础上重建虚拟软组织,并且每个点元素之间的关系不与网格关联。因此,点元素是随机的,且不受网格约束,适用于不连续的场景。虽然上述无网格模型在模拟软组织的切割过程中是有前景的,但是虚拟手术器械与软组织间的相互作用成为了一个问题。为了简化仿真过程,大多数方法都考虑只要软组织被虚拟手术刀扫过,组织便被分开。然而,结果并不像预期的那么简单。在切割过程中,可以观察到在软组织切开之前可能出现明显的变形。正如我们所能理解的,不同的器械与软组织相互作用通常会导致不同形式的变形。此外,有限元模型、无网格模型所对应的方法的计算量均较大,且较为复杂。
技术实现思路
专利技术目的:针对上述现有技术存在的缺陷,本专利技术旨在提供一种基于纳入开尔文粘弹性模型的网格模 ...
【技术保护点】
1.一种基于纳入开尔文粘弹性模型的网格模型的虚拟切割方法,其特征在于,构建开尔文粘弹性模型,所述开尔文粘弹性模型的一般离散控制方程为:
【技术特征摘要】
1.一种基于纳入开尔文粘弹性模型的网格模型的虚拟切割方法,其特征在于,构建开尔文粘弹性模型,所述开尔文粘弹性模型的一般离散控制方程为:其中,Kn是全局刚度矩阵,是全局滞纳刚度矩阵;施加滞纳函数的全局滞纳刚度矩阵:其中B,φ,Δ∈n中的元素均为常量;δ是虚拟切割材料的参数,b是常数,表示时间;由虚拟切割材料的参数和切割时间求解[tn,tn+1]时间中的位移增量再计算每个节点的新位移、应变和应力,产生模拟切口。2.根据权利要求1所述的基于纳入开尔文粘弹性模型的网格模型的虚拟切割方法,其特征在于,所述计算每个节点的新位移、应变和应力具体为依据[tn,tn+1]时间中的位移增量计算:在tn+1时,位移、应力、应变的增量依次为:σn+1=σn+Δσn;εn+1=εn+Δεn;其中,Bi与φi是应变矩阵:其中L为常数;其中,开尔文粘弹性模型在[tn,tn+1]中的应力增量为:Δσn=ΔεnΕk+σ0,n;其中,应力与应变的关系为:其中,Εk是线性松弛系数,表示在时间间隔[tn,tn+1]中由单位阶跃应变增量引起的应力变化,c0,c1,τ1为材料参数;tn+1时的初始应力为:3.根据权利要求1所述的基于纳入开尔文粘弹性模型的网格模型的虚拟切割方法,其特征在于,所述开尔文粘弹性模型的本构方程是:其中,σ1表示应力,η是阻尼器的阻尼系数,σ2表示...
【专利技术属性】
技术研发人员:张小瑞,占怡,孙伟,刘佳,朱利丰,宋爱国,
申请(专利权)人:南京信息工程大学,
类型:发明
国别省市:江苏,32
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