一种基于位置约束和非线性弹簧的软组织建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于位置约束和非线性弹簧的软组织建模方法，包括(1)构建由非线性弹簧和虚拟体弹簧形成的四面体单元构成的软组织模型；(2)模拟软组织模型的形变行为；(3)预估每个节点的近似位置，再判断节点约束方程的状态是否改变，约束包括弹簧长度和弯曲度约束；若方程的初始状态改变，将修正节点到合理范围内的正确位置；若方程的初始状态未改变，那么非线性弹簧和虚拟体弹簧将模拟软组织的形变效果；(4)计算形变的单步迭代结束，进入下一轮循环。本发明专利技术采用非线性弹簧系统和虚拟体弹簧来模拟软组织的生物力学特性，还采用新的约束方程来限制节点位移以此增强模型稳定性，改善了传统质点弹簧模型精确性较差且不稳定的缺陷。的缺陷。的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种基于位置约束和非线性弹簧的软组织建模方法


[0001]本专利技术属于软组织形变模型建模
，具体涉及一种基于位置约束和非线性弹簧的软组织建模方法，用于解决虚拟手术实验中软组织建模问题。

技术介绍

[0002]虚拟手术是一种可以在低成本模式下逼真地模拟手术环境的重要的外科手术辅助训练系统。虚拟手术不仅能为使用者提供可视化需求，还能使医生熟悉手术器械的使用，积累手术技能。目前，一个完善的虚拟手术系统应该同时具备三个需求：实时性，精确性，稳定性。软组织建模是虚拟手术中的核心模块之一，模型的精细程度对系统的可靠性起着决定性的作用。
[0003]软组织建模方法主要包括几何建模法和物理建模法。几何建模法通过对医学图像进行三维重建重绘软组织的几何模型，而物理建模法则是根据软组织的生物力学和运动学特性建立物理模型。几何建模法计算简单，但没有考虑物体材料的本构关系，因此无法保证模型的精确性(脑外科虚拟手术中软组织形变及撕裂模型研究，南昌大学，2016)。目前，常见的物理建模方法包括有限元法(Finite Element Method，FEM)和质点弹簧法(Mass
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spring Method，MSM)(Soft Tissue Deformation and Optimized Data Structures for Mass Spring Methods，IEEE International Conference on Bioinformatics&Bioengineering.IEEE，2009：22
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24)。
[0004]FEM是一种将连续域问题离散化为若干有限元的基于连续介质理论的建模方法，模型的形变是根据生物力学作为基础求解而得，基于FEM的软组织模型具有较高的精确性(An Introduction to The Finite Element Method，Topics in Engineering Mathematics，1992(81)：37
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60)。因此，有限元法在软组织建模中得到了广泛的应用。虽然FEM能精确地模拟力学特性，然而人体软组织的生物特性通常较为复杂，内部结构精细，这将导致FEM的求解消耗大量资源，无法满足虚拟手术在实时交互上的需求(A Surface Mass
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Spring Model With New Flexion Springs and Collision Detection Algorithms Based on Volume Structure for Real
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Time Soft
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Tissue Deformation Interaction，IEEE Access，2018，6：75572
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75597)。
[0005]与连续物理模型不同，MSM将软组织模型离散为多个质点，质点间的相互作用由连接着质点的弹簧实现(Calibration of Mass Spring Models for Organ Simulations，IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots&Systems.IEEE，2007：370
‑
375)。与FEM相比，MSM具有计算效率高，非常适用于拓扑结构频繁变化的模型。在计算机图形领域，基于MSM的软组织建模已经得到了广泛应用。目前，已经有研究者将连续碰撞检测算法用于虚拟手术中。
[0006]然而，传统的MSM依然存在缺陷(一种用于软组织变形仿真的支撑球弹簧模型，计算机应用与软件，2013(01)：109
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112)：1、模型的精度与弹簧系数密切相关，而系数大小通常仅凭经验决定；2、传统MSM的力学原理是基于胡克定律的，因此无法精确地模拟生物软组
织的生物特性，如非线性、体积保持性等。3、微分方程的计算结果带来不可避免的误差，影响了模型的精确性和稳定性。研究者们为了改善传统的MSM做了许多贡献。
[0007]Qin等人提出了一种多层MSM模型框架，通过引入双弹簧系统来模拟人体皮肤和骨骼肌的生物力学特性(A Novel Modeling Framework for Multilayered Soft Tissue Deformation in Virtual Orthopedic Surgery，Journal ofMedical Systems，2010，34(3)：261
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271)。Duan等人提出一种适用于肝脏胆囊的MSM模型，他们采用隐式积分并对弹簧的长度施加约束以保持模型的体积不变性(Synchronous Simulation for Deformation of Liver and Gallbladder with Stretch and Compression Compensation，Conference proceedings：.Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society.IEEE Engineering in Medicine and Biology Society.Conference，2013，2013(2013)：4941
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4944)。Li等人提出了弯曲弹簧提升了传统MSM的大形变下的精确性(A Surface Mass
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Spring Model With New Flexion Springs and Collision Detection Algorithms Based on Volume Structure for Real
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Time Soft
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Tissue Deformation Interaction，IEEE Access，2018，6：75572
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75597)。然而，他们的方案均没有完整地解决上述传统模型的缺陷。
[0008]综上所述，由于人体软组织结构的复杂性，软组织模型的建模方法一直是虚拟手术系统中关键且困难的一部分，且当前鲜有能满足虚拟手术现实需求的软组织建模方法。

技术实现思路

[0009]针对现有技术中的不足与难题，本专利技术旨在提供一种基于位置约束和非线性弹簧的软组织建模方法，本专利技术提适用于各种形状和尺寸的组织器官，能使模型较好的满足虚拟手术的现实需求。
[0010]本专利技术通过以下技术方案予以实现：
[0011]一种基于位置约束和非线性弹簧的软组织建模方法，该方法包括以下步骤：
[0012]步骤1、利用三维建模技术为采集的医学图像信息构建软组织模型，所述模型由非线性弹簧和虚拟体弹簧形成的四面体单元构成，四面体模型结构用于获取表面节点信息以及模型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于位置约束和非线性弹簧的软组织建模方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1：利用三维建模技术为采集的医学图像信息构建软组织模型，所述模型由非线性弹簧和虚拟体弹簧形成的四面体单元构成，四面体模型结构用于获取表面节点信息以及模型内部体积信息；步骤2：模拟软组织模型的形变行为，所述模型在形变过程中，非线性弹簧使模型的应力与应变呈现线性和非线性关系，虚拟体弹簧能抑制模型体积的变化，它们将共同作用来模拟软组织的生物力学特性；步骤3：通过动力学方程预估每个节点的近似位置，然后判断节点约束方程的状态是否改变，节点约束包括弹簧长度约束和弹簧弯曲度约束；若方程的初始状态改变，将修正节点到合理范围内的正确位置；若方程的初始状态未改变，那么非线性弹簧和虚拟体弹簧将模拟软组织的形变效果；步骤4：计算形变的单步迭代结束，进入下一轮循环。2.根据权利要求1所述的一种基于位置约束和非线性弹簧的软组织建模方法，其特征在于，所述步骤3的具体包括：3.1对于模型中任意节点i，计算节点受到的合力并初步预估节点位置；节点i受到的合力计算公式为：式中M
i
代表节点i的质量，表示节点i的加速度，F(u
i
)表示节点i所受内力和，F
ext_i
表示它的外力；节点i的位置表达式为：u
t+Δt
＝u
t
+v
i
·
Δt；3.2判断节点i的位置是否满足约束方程，若节点位置满足约束方程，则保留3.1中预估的节点位置；若不满足则依据约束方程修正节点位置；所述约束方程包括弹簧长度约束和弹簧弯曲度约束方程；所述弹簧长度约束适用于相邻节点之间的距离，若节点间弹簧长度形变率大于预先设定的形变率，则直接对节点位置进行修正以满足临界形变率；若弹簧长度超过阈值而使约束方程的状态发生变化或弹簧形变的弯曲度大于临界值，则弹簧两端的节点p
i
与p
j
做出相应修正。3.根据权利要求2所述的一种基于位置约束和非线性弹簧的软组织建模方法，其特征在于，所述步骤3.1中每个节点的近似位置预估推导过程如下：F(u
i
)由弹簧力和弹簧阻尼力构成：)由弹簧力和弹簧阻尼力构成：上式表示表明节点i受到的内力等于所有与其相邻节点的弹簧力与阻尼力、体积力之和；其中，k
ij
表示节点i和节点j之间的弹性系数，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春泉，潘雨晨，彭佳琦，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：