一种基于无网格径向基数据拟合的软组织受力形变模型建模方法技术

一种基于无网格径向基数据拟合的软组织受力形变模型建模方法。针对现有生物软组织物理形变模型结构复杂、实时性不佳等缺陷，考虑生物软组织各向异性特征，以力为数据流，由径向基无网格法离线获得以软组织受力点为中心，面上有限个等间距点受力位移数据，使用麦夸特法构建软组织表面节点力‑位移曲面形变模型。该模型结合几何形变模型及物理形变模型特点，在保留形变模型物理性特性真实性的同时，大大简化了计算过程，保证了交互的高实时性，实现虚拟手术中生物软组织形变模型与操作者准确实时交互。

A soft tissue deformation model based on Meshless radial basis data fitting

A soft tissue deformation model based on Meshless radial basis data fitting. In view of the existing biological soft tissue physical deformation model of complex structure, poor real-time and other defects, considering the anisotropic characteristics of soft tissues, with the force as data flow by radial basis meshless method to get offline soft tissue point as the center, on the surface of a finite interval point force displacement data, construct the surface of soft tissue nodal force displacement surface deformation model using the Marquardt method. This model combined with the characteristics of geometric model and physical deformation model, physical characteristics of deformation in preserving the authenticity of the model at the same time, greatly simplifies the calculation process, ensure the high real-time interaction, implementation of soft tissue deformation in virtual surgery model and accurate real-time interactive operator.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及虚拟手术软组织受力形变模型建模，用于实现在虚拟手术中生物软组织模型与操作者的精确实时交互。
技术介绍
当进行虚拟手术操作时，理想的生物软组织模型能够在实时交互时将其形变情况准确即时地反馈给操作者，这就要求生物软组织模型必须具备高精确性实时形变特性。软组织的形变模型按照软组织形变过程是否基于物理原理，可以分为几何形变模型和物理形变模型。最早的几何形变模型为Sederberg提出的FFD(FreeFormDeformation)模型，该模型完全从几何角度对物体的形变进行仿真。此外，Gibson提出了Chain-Mail模型，用于实现对膝关节组织形变实时仿真，，通过限定结点间的距离极限，来模拟位移传递过程。大多数医学仿真是针对某一具体器官而言。人体器官的几何形态建模是各种虚拟手术仿真的基础，对于可以交互操作的物理仿真更是如此。几何形态一般是用三角面表示的面模型以及四面体等体单元表示体模型，或由二者组合而成。因此，虚拟器官的形态建模就是设法建立上述面模型或体模型。有些模型可以采用纯数学的方法如样条曲面建模，有些可以借助统计数据建立，如采用拟合多项式建立表面模型，但几乎都是通过医学影像数据或组织切片彩色图像进行三维表面重构。早期，由于计算机运算能力的限制，研究者为了获得比较高的运行效率，不得不基于纯粹的几何形变技术对形变对象的形变过程进行建模。尽管集合形变技术能够提高了模型的运行速度，但是形变体在形变过程中所表现出来的物理性质被忽略，例如，没有考虑形变体的材料性质，仅仅从外观形式对形变过程进行描述，缺乏对力反馈的物理支持，从而影响到虚拟软组织器官模型的反馈力与形变关系之间关联的准确性。物理形变模型主要包括质点弹簧建模MSM(MassSpringModeling)、光滑粒子流模型SPH(SmoothedPaticleHydrodynamics)、有限元方法FEM(FiniteElementsMethod)、长元素方法LEM(LongElementsMethod)和无网格法(MeshFree)。基于物理的形变模型建模技术涉及到牛顿动力学、连续介质机械理论、差分几何、矢量运算、逼近理论和数值计算等领域的一个新的综合应用领域，这个领域仍然在不断发展和创新中。基于物理的形变模型通过应变能量函数定量地描述用户所需形变结果的特性，能使得形变结果贴近用户所描述的各种几何、物理属性。应变能量函数可以基于弹性力学方法定义，计算上具有一定程度的复杂性，但是逼近实际软组织的形变效果比较好。它也是计算机图形学中一个新兴的研究领域，研究对象包括刚体、弹塑性和流体等类型材料的运动、形变、流动和破裂等现象的仿真，研究方法包括时间积分策略、方程求解方法、模态分析、多分辨建模型方法和实时计算技术。非线性的物理模型具有非常高的计算复杂性，给计算机实时仿真带来了挑战。综上所述，几何形变模型虽然运行效率高，但大多不考虑软组织的实际力学本构方程，也不考虑形变过程中物体质量、力或其他物理现象的作用，而只考虑几何形态的变化牺牲了软组织的物理性质。物理形变模型则基于软组织的力学本构方程，通过相应的计算模型得出组织受力时的形变。相对于几何形变模型，物理模型能够更加真实的反映软组织在虚拟手术过程中的形变过程，但具有计算量大，实时仿真速度低的缺点。
技术实现思路
本专利技术公开了一种基于曲面拟合的径向基无网格软组织数据的力反馈模型建模方法。针对现有生物软组织物理形变模型结构复杂、实时计算性能不佳等缺陷，考虑生物软组织各向异性特征，以力为数据流，通过径向基无网格法离线获得软组织受力点为中心，面上有限个等间距点受力位移数据，使用麦夸特法构建软组织表面节点力-位移曲面形变混合模型。该模型综合了几何形变模型及物理形变模型的优点，在保留形变模型物理真实性的同时，大大简化计算过程，保证了交互的实时性，实现虚拟手术中操作者与生物软组织形变模型交互时的实时性和准确性。本专利技术是通过以下技术方案实现的。生物软组织受空间力F作用后表面形变有如下曲面系统：其中vo为软组织未受力时表面各节点基准坐标，Δvx、Δvy、Δvz分别为空间力F沿空间直角坐标系分量Fx、Fy、Fz作用下的软组织表面曲面形变分量，为随机误差项。步骤(1)围绕受力点O建立软组织表面m个等间距d奇数节点矩阵，取软组织表面基准坐标vo。步骤(2)以垂直水平面Z轴方向施力Fz，由径向基无网格法获得力与软组织表面各节点形变数据，采样当前输入输出数据。获取L组软组织数据：Fzi→(Δxi,Δyi,Δzi)j，i∈{1,2,…,L本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于无网格径向基数据拟合的软组织受力形变模型建模方法，其特征在于包括以下步骤：生物软组织受空间力F作用后表面形变有如下曲面系统：其中vo为软组织未受力时表面各节点基准坐标，Δvx、Δvy、Δvz分别为空间力F沿空间直角坐标系分量Fx、Fy、Fz作用下的软组织表面曲面形变分量，为随机误差项；步骤(1)围绕受力点O建立软组织表面m个等间距d奇数节点矩阵，取软组织表面基准坐标vo；步骤(2)以垂直水平面Z轴方向施力Fz，由径向基无网格法获得力与软组织表面各节点形变数据，采样当前输入输出数据；获取L组软组织数据：Fzi→(Δxi,Δyi,Δzi)j，i∈{1,2,…,L}，j∈{1,2,…,m}；步骤(3)麦夸特算法拟合力Fz与Δzn函数关系；选取中间节点即受力点偏移量：ΔO＝(Δxi,Δyi,Δzi)n，n＝(1+m)/2，i∈{1,2,…,L}；获得L组软组织力与形变数据，由于施力方向垂直水平面受力点水平方向，Δxni、Δyni偏移为0，只存在Z轴方向偏移Δzni；因此基于麦夸特算法建立数据流Δzn与力Fz的位移与力关系：Δzn＝gz(Fz)；步骤(4)通过步骤(3)获得L组中间节点形变Δzni对应软组织表面曲面各节点偏移量(Δxi,Δyi,Δzi)j数据：Δzni→(Δxi,Δyi,Δzi)j，i∈{1,2,…,L}，j∈{1,2,…,m}，利用麦夸特算法拟合当受力节点偏移量为Δzni时对应曲面形变函数：Δvzi＝γzi(x,y；pi),i∈{1,2,…,L}获得受力节点偏移量为Δzni时对应曲面形变函数参数pi：Δzni→pi，i∈{1,2,…,L}；步骤(5)由L组受力节点偏移量Δzn对应曲面形变函数参数p数据，基于麦夸特算法拟合受力节点偏移量Δzn与曲面形变参数p的对应关系：p＝ρz(Δzn)步骤(6)以平行X轴方向向O点施力Fx，由径向基无网格法获得力与软组织表面各节点形变数据，采样当前输入输出数据；获取L组软组织数据；同理步骤(3)、(4)、(5)，可获得O节点施力Fx下：Δxn＝gx(Fx)；Δvx＝γx(x,y；p)，p＝ρx(Δxn)；步骤(7)以平行Y轴方向向O点施力Fy，由径向基,无网格法获得力与软组织表面各节点形变数据，采样当前输入输出数据；获取L组软组织数据；同理步骤(3)、(4)、(5)，可获得O节点施力Fy下：Δy＝gy(Fy)；Δvy＝γy(x,y；p)，p＝ρy(Δyn)；步骤(8)Fx、Fy、Fz合成空间力F，可得当空间力F作用于O点时有软组织表面形变Δvx、Δvy、Δvz，则有软组织形变函数：步骤(9)力反馈对步骤(2)、步骤(6)和步骤(8)获得的受力节点O位移与施力F函数：Δxn＝gx(Fx)、Δy＝gy(Fy)、Δzn＝gz(Fz)取反可得各实力分量与受力节点O位移函数：Fx=gx-1(Δxn)Fy=gy-1(Δyn)Fz=gz-1(Δzn)]]>从而可得力反馈...

【技术特征摘要】
1.一种基于无网格径向基数据拟合的软组织受力形变模型建模方法，其特征在于包括以下步骤：生物软组织受空间力F作用后表面形变有如下曲面系统：其中vo为软组织未受力时表面各节点基准坐标，Δvx、Δvy、Δvz分别为空间力F沿空间直角坐标系分量Fx、Fy、Fz作用下的软组织表面曲面形变分量，为随...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春泉，罗族，刘小平，周建勇，洪智超，陈利民，熊鹏文，林凡超，洪瑶，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西;36