一种虚拟手术系统中软组织按压及形变恢复方法技术方案

本发明专利技术公开了一种虚拟手术系统中软组织按压及形变恢复方法，所述方法用于模拟虚拟手术中的软组织按压及形变恢复过程，包括以下步骤：(1)使用添加弯曲弹簧的四面体弹簧质点模型对软组织进行建模；(2)使用局部变形计算变形范围；(3)在变形范围内，计算质点实时的位移和速度；(4)根据LIBSVM训练的参数模型，选择模型参数。本发明专利技术所述方法在保留弹簧质点模型计算简单快速的前提下，弯曲弹簧可保证有效的形状恢复行为，同时控制软组织按压模拟过程中软组织的形变范围，解决了传统弹簧质点模型受力过大产生形变失真问题，优化了模型参数。

A method of soft tissue compression and deformation recovery in virtual surgery system

【技术实现步骤摘要】
一种虚拟手术系统中软组织按压及形变恢复方法
本专利技术涉及软组织建模技术，具体涉及一种虚拟手术系统中软组织按压及形变恢复方法。
技术介绍
在对人体软组织，例如肝脏，实施手术的过程中，首先，需要对肝脏进行按压感知以确定病变区域。通过虚拟手术系统可模拟人体软组织，可以大大节约培训医务人员的时间和培训费用，同时也可降低手术风险，实现虚拟手术系统的一个重要技术难点就是对虚拟软组织的高精度模拟。常用的物理模型中，有限元法建立的模型精度高，能够较逼真地模拟软组织形变，但由于该方法的求解过程复杂，运算量非常大，实时性得不到保障，无法应用在实时性较强的虚拟手术中。为了降低计算复杂度提高计算效率，提出了边界元法，相对于有限元法它的计算量显然有所减少，但是这只是相对于一些均匀的简单模型而言，对于一些细节丰富的复杂模型，其计算量也是很大的，实时性的问题仍得不到解决。而弹簧质点模型的建立比较简单，形变计算量低，易于实现并且能满足仿真实时性要求。但在产生大的变形时，模型不稳定导致形变失真且它不能提供有效的形变恢复行为。软组织模型的稳定性和计算简洁性以及参数有效性对于虚拟手术系统来说至关重要。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的在于提供一种能够解决软组织受力过大产生形变失真的问题，在变形范围内提供有效的形状恢复能力，保证模型简洁性，同时，也解决了模型在受力过大时引起失真和参数优化问题的虚拟手术系统中软组织按压及形变恢复方法。
技术实现思路
：本专利技术的虚拟手术系统中软组织按压及形变恢复方法包括以下步骤：(1)使用添加弯曲弹簧的四面体弹簧质点模型对软组织进行建模；(2)使用局部变形计算变形范围；(3)在变形范围内，计算质点实时的位移和速度；(4)根据LIBSVM训练的参数模型，选择模型参数。步骤(1)中，使用四面体弹簧质点模型构建软组织模型，每个弹簧单元包含结构弹簧、阻尼器、弯曲弹簧；对于两个任意相邻的质点，用i和jq表示；其中，jq是与i相邻的所有质点，两个任意相邻的质点之间通过弹簧单元连接；根据胡克定律计算结构弹簧力fs、阻尼器的阻尼力fd和弯曲弹簧力ff。所述结构弹簧力fs的计算公式为：式中，kq表示质点i、质点jq之间结构弹簧弹性系数，分别表示jq、i在t时刻的位置坐标，lij(0)是质点i、质点jq初始距离。所述阻尼器的阻尼力fd的计算公式为：式中，uq表示质点i、质点jq之间的阻尼系数，v是质点i的瞬时速度。所述弯曲弹簧力ff的计算公式为：式中，ηq表示质点i、质点jq之间弯曲弹簧弹性系数，表示初始位置向量和之间的夹角，表示弯曲弹簧力的方向向量。步骤(2)中，根据垂直应力分布来确定局部变形范围，所述垂直应力σ的计算公式为：式中，Q表示压头位移d处的接触压力，z表示局部变形范围的半径，r表示压头的半径。所述压头位移d处的接触压力Q的计算公式为：式中，F表示单向外部按压力，E、μ分别表示软组织材料的弹性模量和泊松比，r表示压头的半径，d表示压头位移。所述局部变形范围的半径z由垂直应力σ的最小值σmin确定，通过最小应力σmin和Q求解z即为局部变形范围的半径。步骤(3)中，采用Verlet积分法进行数值求解，通过质点当前时刻的位置和加速度，以及前一时刻的位置计算出质点下一时刻的位置。步骤(4)中，根据大量模拟实验，得到每一组实验参数并建立一个数据库，利用LIBSVM训练参数模型，判断采用的参数是否合适。有益效果：本专利技术与现有技术相比，其有益效果在于：(1)使用改进的弹簧质点四面体模型构建软组织模型，构建了软组织的体模型，让软组织有了体积信息；(2)添加了弯曲弹簧来恢复撤销单向外部按压力后软组织表面发生的弯曲形变，提高了软组织模拟的形变精确度和形变恢复能力；(3)采用局部变形方法来控制变形范围，保证了软组织变形时减少失真的情况，提高了软组织模拟的真实性；(4)采用Verlet积分法，使计算更加简洁高效；(5)采用LIBSVM工具箱训练参数模型，选择合适的模型参数，保证了模型参数的有效性。附图说明图1是本专利技术流程图；图2是本专利技术所述的弹簧质点四面体模型结构图；图3是本专利技术所述的弯曲弹簧恢复形变图；图4是本专利技术所述的软组织局部变形结构图。具体实施方式下面结合具体实施方式和说明书附图对本专利技术作进一步详细介绍。如图1所示，本专利技术的虚拟手术系统中软组织按压及形变恢复方法，具体包括以下步骤：(1)使用添加弯曲弹簧的四面体弹簧质点模型对软组织进行建模；如图2所示，根据医学影像数据，使用基于四面体的弹簧质点模型构建软组织体模型，并添加弯曲弹簧元件提高软组织形变恢复的模拟精度。使用OpenGL将CT扫描采集的软组织医学图像数据进行三维几何重现，然后，使用质点弹簧模型对软组织建模；对于两个任意相邻的质点，用i和jq表示，q为自然数，其中，jq是与i点相邻的所有质点，两个任意相邻的质点之间通过弹簧单元连接，如图3所示，弹簧单元由结构弹簧，阻尼器和弯曲弹簧组成，将单向外部按压力施加在弹簧质点模型上，根据胡克定律计算结构弹簧力fs、阻尼器的阻尼力fd和弯曲弹簧力ff；结构弹簧力fs的计算公式为：式中，kq表示质点i、质点jq之间结构弹簧弹性系数，分别表示质点jq、质点i在t时刻的位置坐标，lij(0)是i、jq初始距离。阻尼器的阻尼力fd的计算公式为：式中，uq表示质点i、质点jq之间的阻尼系数，v是质点i的瞬时速度。弯曲弹簧力ff的计算公式为：式中，ηq表示质点i、质点jq之间弯曲弹簧弹性系数，表示初始位置向量和之间的夹角，表示弯曲弹簧力的方向向量；其中，初始位置向量和之间的夹角的计算公式为:弯曲弹簧力的方向向量的计算公式为:式中，分别表示质点jq、质点i在初始时刻的位置坐标，||表示向量的大小，[]表示矢量向量，⊙为向量之间点乘，为向量之间叉乘。质点i通过弹簧单元与其他质点jq相连，质点i受到的内力Fi-in(t)为：根据牛顿定律，质点i的动态方程：式中，mi表示质点i的质量，表示t时刻质点i的加速度，F表示单向外部按压力。(2)使用局部变形计算变形范围；本专利技术采用了一种根据垂直应力分布确定局部变形范围的方法，其基本思想是从发生最小应力的接触面找到深度，并将其用作确定圆形变形范围的半径，如图4所示，在压头和具有弹性模量E和泊松比μ的软组织材料之间的接触相互作用下，压头位移d处的接触压力Q及单向外部按压力F导致的物体变形，Q可以使用赫兹公式计算如下：式中，Q是压头位移d处的接触压力，F是单向外部按压力，E、μ为软组织材料的弹性模量和泊松比，r是压头的半径，d是压头位移。垂直应力σ可以表示为：...

【技术保护点】
1.一种虚拟手术系统中软组织按压及形变恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)使用添加弯曲弹簧的四面体弹簧质点模型对软组织进行建模；/n(2)使用局部变形计算变形范围；/n(3)在变形范围内，计算质点实时的位移和速度；/n(4)根据LIBSVM训练参数模型，选择模型参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种虚拟手术系统中软组织按压及形变恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用添加弯曲弹簧的四面体弹簧质点模型对软组织进行建模；
(2)使用局部变形计算变形范围；
(3)在变形范围内，计算质点实时的位移和速度；
(4)根据LIBSVM训练参数模型，选择模型参数。


2.根据权利要求1所述的虚拟手术系统中软组织按压及形变恢复方法，其特征在于：步骤(1)中，使用四面体弹簧质点模型构建软组织模型，每个弹簧单元包含结构弹簧、阻尼器、弯曲弹簧；对于两个任意相邻的质点，用i和jq表示，其中，jq是与i相邻的所有质点，两个任意相邻质点之间通过弹簧单元连接；根据胡克定律计算结构弹簧力fs、阻尼器阻尼力fd和弯曲弹簧力ff。


3.根据权利要求2所述的虚拟手术系统中软组织按压及形变恢复方法，其特征在于：所述结构弹簧力fs的计算公式为：



式中，kq表示质点i、质点jq之间结构弹簧弹性系数，分别表示质点jq、质点i在t时刻的位置坐标，lij(0)是质点i、质点jq初始距离。


4.根据权利要求2所述的虚拟手术系统中软组织按压及形变恢复方法，其特征在于：所述阻尼器阻尼力fd的计算公式为：



式中，uq表示质点i、质点jq之间的阻尼系数，v是质点i的瞬时速度。


5.根据权利要求2所述的虚拟手术系统中软组织按压及形变恢复方法，其特征在于：所述弯曲弹簧力ff的计算公式为：

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【专利技术属性】
技术研发人员：张小瑞，陈旋，孙伟，孙星明，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