一种磁性导丝实时动态模型构建与模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种磁性导丝实时动态模型构建与模拟方法，所述模型构建方法包括：对磁性导丝的物理仿真模型进行离散化处理，并根据得到的离散化模型，建立其中各离散化单元发生弯曲时产生的弯曲应力的计算模型、受到外部磁场驱动时的磁驱动力计算模型、受到阻尼作用时的阻尼力计算模型、受到拉伸作用时产生的拉伸应力的计算模型，并根据弯曲应力计算模型、磁驱动力计算模型、阻尼力计算模型、拉伸应力计算模型及外部环境作用力建立动力学模型。本发明专利技术构建的动态模型在模型精度和拓展性上均优于现有技术。于现有技术。于现有技术。

【技术实现步骤摘要】
一种磁性导丝实时动态模型构建与模拟方法


本专利技术涉及磁性导丝三维动态模型构建方法的


技术介绍

近年来，远程磁驱动手术系统已逐渐应用于微创和神经血管介入手术中，其通过如硬磁软复合材料制成的磁性导丝进行血管内手术导航。然而，由于针对磁力驱动导丝的主动闭环控制方案的研究较少，且对类似的硬磁软连续体的建模研究也大多集中于静态分析上，使得该系统的应用受到限制，无法取代富有经验的临床医生的手动操作。此外，随着虚拟现实(VR)技术在血管外科术前练习中的逐渐应用，建立硬磁软连续体的动态模型也有了更高、更迫切的需求。部分现有技术对建立三维动态的硬磁软连续体进行了尝试，如现有技术文献
[0001]通过有限元分析法获得了硬磁软连续体在磁场下的形变模型，但其计算复杂性高，实时模拟困难；技术文献[2]基于经典弹性理论和磁学原理建立了硬磁弹性杆模型，其能够导出二维平面下的控制方程，对匀强磁场下的磁性导丝大挠度偏转的预测效果较好，并可通过如技术文献[3]的改进方案实现对非均匀的磁化导丝的处理，进一步推广到三维平面，但硬磁弹性杆模型只有在空间均匀的磁场下才本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁性导丝实时动态模型构建方法，其特征在于，其包括：S1构建磁性导丝的物理仿真模型；S2基于所述磁性导丝的物理仿真模型，构建其实时动态模型，并包括：S21对所述仿真模型进行离散化处理，获得其离散化模型；S22基于所述离散化模型，获得其中各离散化单元发生弯曲时产生的弯曲应力的计算模型，即弯曲应力计算模型；S23基于所述离散化模型，获得其中各离散化单元受到外部磁场驱动时的磁驱动力计算模型；S24基于所述离散化模型，通过Rayleigh耗散和Stokes粘性阻尼计算方法获得其中各离散化单元在血液中受到阻尼作用时的阻尼力计算模型；S25基于所述离散化模型，获得其中各离散化单元在受到拉伸作用时产生的拉伸应力的计算模型，即拉伸应力计算模型；S26建立包含所述弯曲应力计算模型、所述磁驱动力计算模型、所述阻尼力计算模型、所述拉伸应力计算模型及外部环境作用力的磁性导丝动力学模型，即所述时动态模型。2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述仿真模型为底面半径远小于长度的、具有各向同性的、沿轴向均匀磁化的细长圆柱形弹性杆件，该弹性杆件还具有与杆件中心线始终垂直的刚性截面，在被外部磁场驱动时，不产生剪切应力和扭转，在被拉伸时，不发生伸长。3.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，所述离散化处理包括：在所述仿真模型的一端建立以其端点为原点的三维直角坐标系{O；E1，E2，E3}，在该坐标系下，沿仿真模型的中心线Γ(s)设置n个均匀分布的具有质量的三维离散点X1，X2，...，X
n
，由该n个离散点将所述仿真模型分为n
‑
1个离散化单元，每个离散化单元对应一个仿真模型的分段向量e
i
(i＝1，2，...，n
‑
1)，e
i
＝x
i
+1
‑
x
i
，其具有一个单位向量t
i
，其中||e
i
||表示向量e
i
的模长；并将离散化后的中心线Γ(s)使用广义坐标q＝[x1，x2，...，x
n
]
T
表示。4.根据权利要求3所述的构建方法，其特征在于，所述弯曲应力计算模型设置如下：4.根据权利要求3所述的构建方法，其特征在于，所述弯曲应力计算模型设置如下：其中，F
b，i
表示任一离散化单元i在其端点处即离散化模型的第i个顶点处产生的弯曲应力，E
b
表示任一离散化单元i的弹性势能，E、I分别表示磁性导丝的弹性模量和截面惯性矩，表示如下的积分Voronoi区域：上标
‑
表...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金会，吴志伟，魏思亿，陈端端，李峥，赵若彤，高玥扬，谷少萌，刘欣，曹城玮，胡兴，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：