一種基于質(zhì)點(diǎn)彈簧和流體力學(xué)的組織形變方法
【專利摘要】一種基于質(zhì)點(diǎn)彈簧和流體力學(xué)的組織形變方法，包括如下步驟：第一步，由醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)所需研究的組織建立均勻的三角面片網(wǎng)格；第二步，在構(gòu)建的組織網(wǎng)格模型上，建立質(zhì)點(diǎn)彈簧物理模型；第三步，建立定剛體核及廣義彈簧；第四步，在構(gòu)建完的質(zhì)點(diǎn)彈簧網(wǎng)格模型內(nèi)填充SPH模型流體；第五步，設(shè)定一個(gè)占據(jù)一定空間的剛性體，用于與流體一起傳遞負(fù)載；質(zhì)點(diǎn)彈簧模型模擬組織表面的皮膚形變，SPH模型流體和剛性體則模擬組織內(nèi)部體液的運(yùn)行機(jī)制。本發(fā)明提供一種在具有良好實(shí)時(shí)性的同時(shí)提高仿真的真實(shí)性的基于質(zhì)點(diǎn)彈簧和流體力學(xué)的組織形變方法。
【專利說(shuō)明】
一種基于質(zhì)點(diǎn)彈簧和流體力學(xué)的組織形變方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)生物組織力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于質(zhì)點(diǎn)彈簧和流體 力學(xué)的組織形變方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的快速發(fā)展，為虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)研發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)與保障。 外科醫(yī)生可以通過(guò)在虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)上模擬手術(shù)的過(guò)程，為其在實(shí)施真實(shí)的手術(shù)之前提 供寶貴的經(jīng)驗(yàn)，使外科手術(shù)變得更加安全、可靠、精確。
[0003]完整的虛擬手術(shù)系統(tǒng)，需要跨越很多的技術(shù)領(lǐng)域，涉及了很多學(xué)科，包括醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù) 可視化、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、牛頓動(dòng)力學(xué)、生物力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、流體力學(xué)、數(shù)值計(jì)算、物理建 模與幾何算法等領(lǐng)域，對(duì)計(jì)算機(jī)編程能力要求極高，是一個(gè)綜合性極強(qiáng)的研究方向，一般具 有以下兩個(gè)特點(diǎn):所要虛擬的場(chǎng)景及其復(fù)雜、需要高強(qiáng)度的實(shí)時(shí)人機(jī)交互。在虛擬手術(shù)中存 在復(fù)雜的手術(shù)交互操作:碰撞、擠壓、抓取、切割、吸除、剪斷、針穿刺、灼燒、縫合等；同時(shí)為 了達(dá)到高度逼真性，使醫(yī)生具有沉浸其中的感覺(jué)，也需要模擬手術(shù)過(guò)程中的流血、灼燒煙霧 等特殊的渲染效果。
[0004]軟組織形變是手術(shù)交互操作中最基本核心的模塊。碰撞、擠壓等操作都需要基于 彈性形變加以呈現(xiàn)，但不會(huì)改變組織的固有結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于碰撞、擠壓主要需要研究的就是 組織的形變特性，是手術(shù)仿真中最基本的交互方式。而切割、吸除等屬于非線性形變，這種 操作使軟組織的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，涉及到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重組、斷裂力學(xué)理論等，仿真難度較 大，但基礎(chǔ)理論還是軟組織形變。
[0005] 在虛擬手術(shù)系統(tǒng)中軟組織行為的計(jì)算是研究的核心問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者也提出 了許多軟組織建模的方法。這些方法中需要面臨的最關(guān)鍵的問(wèn)題是實(shí)時(shí)性與逼真度之間的 協(xié)調(diào)關(guān)系。逼真性和實(shí)時(shí)性這對(duì)矛盾是軟組織建模中最為主要的問(wèn)題。逼真度越高，就需要 所建立模型越精確復(fù)雜，而復(fù)雜的模型通常會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的大幅增加，從而導(dǎo)致了實(shí)時(shí) 性下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服已有虛擬手術(shù)系統(tǒng)中軟組織行為的無(wú)法兼顧仿真者真實(shí)性和實(shí)時(shí)性的 不足，本發(fā)明提供一種在具有良好實(shí)時(shí)性的同時(shí)提高仿真的真實(shí)性的基于質(zhì)點(diǎn)彈簧和流體 力學(xué)的組織形變方法。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0008] -種基于質(zhì)點(diǎn)彈簧和流體力學(xué)的組織形變方法，所述組織形變方法包括如下步 驟：
[0009] 第一步，由醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)所需研究的組織建立均勻的三角面片網(wǎng)格；
[0010] 第二步，在構(gòu)建的組織網(wǎng)格模型上，建立質(zhì)點(diǎn)彈簧物理模型；
[0011]第三步，建立定剛體核及廣義彈簧；
[0012] 第四步，在構(gòu)建完的質(zhì)點(diǎn)彈簧網(wǎng)格模型內(nèi)填充SPH模型流體；
[0013] 第五步，設(shè)定一個(gè)占據(jù)一定空間的剛性體，用于與流體一起傳遞負(fù)載;質(zhì)點(diǎn)彈簧模 型模擬組織表面的皮膚形變，SPH模型流體和剛性體則模擬組織內(nèi)部體液的運(yùn)行機(jī)制。
[0014] 進(jìn)一步，所述第一步中，所述的三角面片網(wǎng)格的建立，由醫(yī)學(xué)所得CT、核磁共振數(shù) 據(jù)進(jìn)過(guò)圖像處理的算法獲得相應(yīng)的三維網(wǎng)格模型。
[0015] 再進(jìn)一步，所述第二步中，所述的質(zhì)點(diǎn)彈簧物理模型，是在三角面片網(wǎng)格基礎(chǔ)上， 以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為質(zhì)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間相連線段視為彈簧阻尼器，從而構(gòu)建質(zhì)點(diǎn)彈簧物理模型。
[0016] 更進(jìn)一步，所述的質(zhì)點(diǎn)彈簧物理模型，其每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)微分方程如下：
[0017] m, x,+c,. -t,'+ktj ((y - /°) = Xv/
[0018] 其中，nu為第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)(Ni)的質(zhì)量;xi為質(zhì)點(diǎn)Ni的形變位移;ci為阻尼系數(shù);kij為彈 簧彈性系數(shù);f為質(zhì)點(diǎn)化與化間連接彈簧的初始長(zhǎng)度;為質(zhì)點(diǎn)K所受外力的總和。
[0019] 所述第三步中，剛體核記錄組織質(zhì)點(diǎn)初始位置的不變點(diǎn)，廣義彈簧是組織質(zhì)點(diǎn)與 剛體核之間的虛擬彈簧，初始長(zhǎng)度為0。
[0020] 所述第四步中，基于流體不可壓縮假設(shè)，采用Navier-stokes方程描述流體的運(yùn) 動(dòng)：
[0025] 在上式中，W(Xi-xj，h)表示光滑核函數(shù)，▽ F(.W A)與V2-分幻分別表示光 滑核函數(shù)的一階和二階導(dǎo)數(shù);.r、廠、r分別表示粒子的壓力、粘滯力和重力，y為粘滯 系數(shù)，P為粒子的密度，P為粒子的壓強(qiáng)，可由公式:P = k(p-pQ)進(jìn)行計(jì)算（其中，k為氣體常 數(shù)，P0為初始密度），v為粒子速度。
[0026] 所述第五步中，設(shè)定一個(gè)將組織模型縮小1/2的剛性體，填充至組織內(nèi)，并設(shè)定該 剛性體的重心與組織模型的重心初始位置重合，并且在傳遞負(fù)載過(guò)程中剛性體的重心位置 只在一定范圍中運(yùn)動(dòng)，確保剛性體能夠不與組織表面直接接觸。
[0027] 所述的占據(jù)一定空間的剛性體，其只能做剛性運(yùn)動(dòng)，將剛性體整體看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn) 進(jìn)行力的傳遞，而剛性體的表面則限制了流體的表面，從而達(dá)到剛性體與流體共同傳遞負(fù) 載。
[0028] 本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：先在組織的表面網(wǎng)格的基礎(chǔ)上建立質(zhì)點(diǎn)彈簧模型，并添加 剛體核及廣義彈簧，來(lái)模擬組織表面的皮膚形變，再向模型體內(nèi)填充SPH模型流體及一塊剛 性體，來(lái)模擬組織內(nèi)部的體液運(yùn)行機(jī)制，并用于傳遞負(fù)載。
[0029]如圖1所示是在組織模型表面的三角網(wǎng)格面片的基礎(chǔ)上建立質(zhì)點(diǎn)彈簧模型，該模 型將組織模型表面的幾何坐標(biāo)點(diǎn)看做有質(zhì)量的節(jié)點(diǎn)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)相連的拓?fù)渚€段看成連接 質(zhì)點(diǎn)的彈簧，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)受到外力的作用，試圖產(chǎn)生位移時(shí)，就會(huì)受到與其相連的彈簧附加的收 縮力，而外力負(fù)載也在彈簧的作用下傳遞到整個(gè)模型中去。經(jīng)過(guò)一段的時(shí)間，整個(gè)彈簧系統(tǒng) 達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，或者說(shuō)軟組織形變的過(guò)程就是一種向平衡過(guò)度的過(guò)程，直到被外界的外力 打破這種平衡，繼而再次尋找平衡的過(guò)程。
[0030] 質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)描述如下：
[0031] 將軟組織的質(zhì)點(diǎn)彈簧模型抽象成由n個(gè)離散化后的質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)間連接的虛擬彈簧 阻尼器構(gòu)成。其中，用Pi(i = l，2,......n)表示離散后的抽象質(zhì)點(diǎn)；用1^(1，」￡[1，1!]4辛 j)表示質(zhì)點(diǎn)間連接的彈簧阻尼器。整個(gè)質(zhì)點(diǎn)彈簧模型在力學(xué)的控制下通過(guò)更新每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的 位移從而描述了虛擬人體軟組織的形變過(guò)程，而每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都是軟組織的特性點(diǎn)，也稱為控 制點(diǎn)。
[0032] 在任一時(shí)刻，質(zhì)點(diǎn)彈簧模型模擬的組織形變可由n個(gè)微分方程來(lái)描述的，對(duì)于每一 個(gè)抽象的質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)都滿足如下的動(dòng)力學(xué)微分方程：
[0033]
[0034] 其中，nu為第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)（Pi)的質(zhì)量;xi為質(zhì)點(diǎn)Pi的形變位移;ci為阻尼系數(shù);kij為彈 簧的彈性系數(shù);為質(zhì)點(diǎn)?1與匕間連接彈簧的初始長(zhǎng)度;為質(zhì)點(diǎn)Pi所受的外力的總和。
[0035] 為保證組織模型在形變后不受外力作用下能夠有恢復(fù)到原來(lái)的趨勢(shì)，本發(fā)明中添 加了剛體核及廣義彈簧。如圖2,剛體核是記錄了組織質(zhì)點(diǎn)初始位置的不變點(diǎn)，廣義彈簧是 組織質(zhì)點(diǎn)與剛體核之間的虛擬彈簧，初始長(zhǎng)度為0。當(dāng)組織質(zhì)點(diǎn)受力遠(yuǎn)離剛體核時(shí)，廣義彈 簧就被拉伸，產(chǎn)生使質(zhì)點(diǎn)趨向剛體核的力。
[0036]在完成質(zhì)點(diǎn)彈簧建模后，要向組織模型中填充入SPH流體，用于仿真生物組織體內(nèi) 的體液的運(yùn)行機(jī)制，從而傳遞負(fù)載。
[0037] SPH的本質(zhì)是一種基于粒子的插值方式，SPH方程的構(gòu)造有兩個(gè)關(guān)鍵的步驟，第一 步為積分表示法，即"核函數(shù)逼近"；第二步為"粒子逼近"。整個(gè)流場(chǎng)變成了一系列粒子的表 達(dá)，每個(gè)粒子又由其支持域內(nèi)的粒子表達(dá)，從而使整個(gè)流場(chǎng)的力學(xué)量都由這些粒子來(lái)負(fù)載。 如圖3表示了粒子i的一個(gè)支持域示意圖，從而將連續(xù)的流場(chǎng)離散成支持域中的有限個(gè)粒子 的和。采用Navier-Stokes方程描述流體的運(yùn)動(dòng)，N-S方程如下：
[0042] 在上式中，W(Xi_Xj，h)表不光滑核函數(shù)，▽W(xué)/(x, _.V々)與H(A', 分別表不光 滑核函數(shù)的一階和二階導(dǎo)數(shù);i?1、f、分別表示粒子的壓力、粘滯力和重力，y為粘滯 系數(shù)，p為粒子的密度，P為粒子的壓強(qiáng)，可由公式:P=k(P_pQ)進(jìn)行計(jì)算（其中，k為剛體系 數(shù)，p〇為初始密度），v為粒子速度。
[0043]光滑核函數(shù)的選?。?br>[0044]除了粘滯力和壓力外的所有物理量，如密度、質(zhì)量等，我們使用wpciiy6(r，h)核函數(shù)， 該函數(shù)詳細(xì)描述為：
[0046]我們使用WspikY(r,h)核函數(shù)來(lái)計(jì)算壓力，該函數(shù)詳細(xì)描述為：
[0048]我們使用Wvls?slty(r，h)核函數(shù)計(jì)算粒子間的粘滯力，該函數(shù)詳細(xì)描述為：
[0050] 本發(fā)明為了避免因流體的粒子數(shù)量過(guò)多而導(dǎo)致流體運(yùn)算時(shí)間增加，影響實(shí)時(shí)性， 設(shè)計(jì)了一個(gè)不能形變的剛性體，與流體一起填充入組織模型中，在模型中占據(jù)一定空間，并 與流體一同傳遞負(fù)載，從而降低了流體粒子的數(shù)量，節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間。
[0051] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在:在質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的基礎(chǔ)上，用流體填充到組織模 型內(nèi)，以模擬生物體組織中液體的運(yùn)作形式。該方法既保留了質(zhì)點(diǎn)彈簧模型實(shí)時(shí)性好的優(yōu) 點(diǎn)，又改進(jìn)了質(zhì)點(diǎn)彈簧模型是由局部到整體來(lái)傳遞力的問(wèn)題，并提高了仿真的真實(shí)性。
【附圖說(shuō)明】
[0052] 圖1為本發(fā)明的組織質(zhì)點(diǎn)彈簧模型示意圖。
[0053]圖2為本發(fā)明的剛體核及廣義彈簧示意圖。
[0054]圖3為本發(fā)明的流體粒子支持域示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0056] 參照?qǐng)D1~圖3,一種基于質(zhì)點(diǎn)彈簧和流體力學(xué)的組織形變方法，所述組織形變方 法包括如下步驟：
[0057]第一步，由醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)所需研究的組織建立均勻的三角面片網(wǎng)格；
[0058]第二步，在構(gòu)建的組織網(wǎng)格模型上，建立質(zhì)點(diǎn)彈簧物理模型；
[0059]第三步，建立定剛體核及廣義彈簧；
[0060]第四步，在構(gòu)建完的質(zhì)點(diǎn)彈簧網(wǎng)格模型內(nèi)填充SPH模型流體；
[0061 ]第五步，設(shè)定一個(gè)占據(jù)一定空間的剛性體，用于與流體一起傳遞負(fù)載;質(zhì)點(diǎn)彈簧模 型模擬組織表面的皮膚形變，SPH模型流體和剛性體則模擬組織內(nèi)部體液的運(yùn)行機(jī)制。
[0062] 所述的質(zhì)點(diǎn)彈簧模型模擬組織表面的皮膚形變，流體和剛性體模擬組織內(nèi)部體液 的運(yùn)行機(jī)制，既保留了質(zhì)點(diǎn)彈簧模型實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，又改進(jìn)了質(zhì)點(diǎn)彈簧模型是由局部到 整體來(lái)傳遞力的問(wèn)題，并提高了仿真的真實(shí)性。
[0063] 本實(shí)施例是針對(duì)虛擬手術(shù)系統(tǒng)中快速逼真的組織形變的方法，其先在組織的表面 網(wǎng)格的基礎(chǔ)上建立質(zhì)點(diǎn)彈簧模型，并添加剛體核及廣義彈簧，來(lái)模擬組織表面的皮膚形變， 再向模型體內(nèi)填充SPH模型流體及一塊剛性體，來(lái)模擬組織內(nèi)部的體液運(yùn)行機(jī)制，并用于傳 遞負(fù)載，最終在質(zhì)點(diǎn)彈簧模型和流體的物理力學(xué)作用下達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。該方法的 具體步驟：
[0064]第一步:構(gòu)建組織表面的三角網(wǎng)格。
[0065]第二步：如圖1所示是在組織模型表面的三角網(wǎng)格面片的基礎(chǔ)上建立質(zhì)點(diǎn)彈簧模 型，該模型將組織模型表面的幾何坐標(biāo)點(diǎn)看作有質(zhì)量的節(jié)點(diǎn)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)相連的拓?fù)渚€段 看成連接質(zhì)點(diǎn)的彈簧，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)受到外力的作用，試圖產(chǎn)生位移時(shí)，就會(huì)受到與其相連的彈簧 附加的收縮力，而外力負(fù)載也在彈簧的作用下傳遞到整個(gè)模型中去。經(jīng)過(guò)一段的時(shí)間，整個(gè) 彈簧系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，或者說(shuō)軟組織形變的過(guò)程就是一種向平衡過(guò)度的過(guò)程，直到被外 界的外力打破這種平衡，繼而再次尋找平衡的過(guò)程。
[0066] 質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)描述如下：
[0067] 將軟組織的質(zhì)點(diǎn)彈簧模型抽象成由n個(gè)離散化后的質(zhì)點(diǎn)和質(zhì)點(diǎn)間連接的虛擬彈簧 阻尼器構(gòu)成。其中，用Pi(i = l，2,......n)表示離散后的抽象質(zhì)點(diǎn)；用1^(1，」￡[1，1!]4辛 j)表示質(zhì)點(diǎn)間連接的彈簧阻尼器。整個(gè)質(zhì)點(diǎn)彈簧模型在力學(xué)的控制下通過(guò)更新每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的 位移從而描述了虛擬人體軟組織的形變過(guò)程，而每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都是軟組織的特性點(diǎn)，也稱為控 制點(diǎn)。
[0068] 在任一時(shí)刻，質(zhì)點(diǎn)彈簧模型模擬的組織形變可由n個(gè)微分方程來(lái)描述的，對(duì)于每一 個(gè)抽象的質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)都滿足如下的動(dòng)力學(xué)微分方程：
[0069 ] + + =
[0070]其中，nu為第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)（Pi)的質(zhì)量;xi為質(zhì)點(diǎn)Pi的形變位移;ci為阻尼系數(shù);kij為彈 簧的彈性系數(shù)巧為質(zhì)點(diǎn)?1與匕間連接彈簧的初始長(zhǎng)度;為質(zhì)點(diǎn)Pi所受的外力的總和。 [0071]第三步:建立剛體核及廣義彈簧。為保證組織模型在形變后不受外力作用下能夠 有恢復(fù)到原來(lái)的趨勢(shì)，本發(fā)明中添加了剛體核及廣義彈簧。如圖2,剛體核是記錄了組織質(zhì) 點(diǎn)初始位置的不變點(diǎn)，廣義彈簧是組織質(zhì)點(diǎn)與剛體核之間的虛擬彈簧，初始長(zhǎng)度為0。當(dāng)組 織質(zhì)點(diǎn)受力遠(yuǎn)離剛體核時(shí)，廣義彈簧就被拉伸，產(chǎn)生使質(zhì)點(diǎn)趨向剛體核的力。
[0072]第四步:在完成質(zhì)點(diǎn)彈簧建模后，要向組織模型中填充入SPH流體，用于仿真生物 組織體內(nèi)的體液的運(yùn)行機(jī)制，從而傳遞負(fù)載。
[0073] SPH的本質(zhì)是一種基于粒子的插值方式，SPH方程的構(gòu)造有兩個(gè)關(guān)鍵的步驟，第一 步為積分表示法，即"核函數(shù)逼近"；第二步為"粒子逼近"。整個(gè)流場(chǎng)變成了一系列粒子的表 達(dá)，每個(gè)粒子又由其支持域內(nèi)的粒子表達(dá)，從而使整個(gè)流場(chǎng)的力學(xué)量都由這些粒子來(lái)負(fù)載。 如圖3表示了粒子i的一個(gè)支持域示意圖，從而將連續(xù)的流場(chǎng)離散成支持域中的有限個(gè)粒子 的和。采用Navier-Stokes方程描述流體的運(yùn)動(dòng)，N-S方程如下：
[0078] 在上式中，W(Xi-Xj，h)表示光滑核函數(shù)，與-.V，)分別表示光 滑核函數(shù)的一階和二階導(dǎo)數(shù);./,7'、r、乂'g分別表示粒子的壓力、粘滯力和重力，y為粘滯 系數(shù)，P為粒子的密度，P為粒子的壓強(qiáng)，可由公式:P = k(p-pQ)進(jìn)行計(jì)算(其中，k為剛體系數(shù) 為(102~l〇V/S 2)，pQ為初始密度，在本發(fā)明中取(1.05~1.06\1031^/111 3))，￥為粒子速度。
[0079] 第五步:為了避免因流體的粒子數(shù)量過(guò)多而導(dǎo)致流體運(yùn)算時(shí)間增加，影響實(shí)時(shí)性， 設(shè)計(jì)了一個(gè)不能形變的剛性體，與流體一起填充入組織模型中，在模型中占據(jù)一定空間，并 與流體一同傳遞負(fù)載，從而降低了流體粒子的數(shù)量，節(jié)省了運(yùn)算時(shí)間。設(shè)定一個(gè)將組織模型 縮小1/2的剛性體，填充至組織內(nèi)，并設(shè)定該剛性體的重心與組織模型的重心初始位置重 合，并且在傳遞負(fù)載過(guò)程中限制剛性體的重心位置只在一定范圍中運(yùn)動(dòng)，確保剛性體能夠 不與組織表面直接接觸。
[0080] 以上描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征以及優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了 解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理， 在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都 落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界 定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于質(zhì)點(diǎn)彈黃和流體力學(xué)的組織形變方法，其特征在于:所述組織形變方法包 括如下步驟： 第一步，由醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)所需研究的組織建立均勻的=角面片網(wǎng)格； 第二步，在構(gòu)建的組織網(wǎng)格模型上，建立質(zhì)點(diǎn)彈黃物理模型； 第=步，建立定剛體核及廣義彈黃； 第四步，在構(gòu)建完的質(zhì)點(diǎn)彈黃網(wǎng)格模型內(nèi)填充SPH模型流體； 第五步，設(shè)定一個(gè)占據(jù)一定空間的剛性體，用于與流體一起傳遞負(fù)載;質(zhì)點(diǎn)彈黃模型模 擬組織表面的皮膚形變，SPH模型流體和剛性體則模擬組織內(nèi)部體液的運(yùn)行機(jī)制。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于質(zhì)點(diǎn)彈黃和流體力學(xué)的組織形變方法，其特征在于:所 述第一步中，所述的=角面片網(wǎng)格的建立，由醫(yī)學(xué)所得CT、核磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)過(guò)圖像處理的算 法獲得相應(yīng)的=維網(wǎng)格模型。3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種基于質(zhì)點(diǎn)彈黃和流體力學(xué)的組織形變方法，其特征在 于:所述第二步中，所述的質(zhì)點(diǎn)彈黃物理模型，是在=角面片網(wǎng)格基礎(chǔ)上，W網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為 質(zhì)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)之間相連線段視為彈黃阻尼器，從而構(gòu)建質(zhì)點(diǎn)彈黃物理模型。4. 如權(quán)利要求3所述的一種基于質(zhì)點(diǎn)彈黃和流體力學(xué)的組織形變方法，其特征在于:所 述的質(zhì)點(diǎn)彈黃物理模型，其每個(gè)質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)微分方程如下：其中，m功第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)(Ni)的質(zhì)量;X功質(zhì)點(diǎn)Ni的形變位移;C功阻尼系數(shù);ki功彈黃彈性 系數(shù);為質(zhì)點(diǎn)Ni與的間連接彈黃的初始長(zhǎng)度;fext為質(zhì)點(diǎn)Ni所受外力的總和。5. 如權(quán)利要求1或2所述的一種基于質(zhì)點(diǎn)彈黃和流體力學(xué)的組織形變方法，其特征在 于:所述第=步中，剛體核記錄組織質(zhì)點(diǎn)初始位置的不變點(diǎn)，廣義彈黃是組織質(zhì)點(diǎn)與剛體核 之間的虛擬彈黃，初始長(zhǎng)度為O。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于質(zhì)點(diǎn)彈黃和流體力學(xué)的組織形變方法，其特征在 于:所述第四步中，基于流體不可壓縮假設(shè)，采用Navier-Stokes方程描述流體的運(yùn)動(dòng)： fi?=化 g在上式中，WUi-咕h)表示光滑核函數(shù)，-V,，/;}與V?皆(x,.-x,，A)分別表示光滑核 函數(shù)的一階和二階導(dǎo)數(shù);fiP、fiV、fig分別表示粒子的壓力、粘滯力和重力，y為粘滯系數(shù)，P為 粒子的密度，P為粒子的壓強(qiáng)，可由公式:P = k(p-p〇)進(jìn)行計(jì)算，k為氣體常數(shù)，PO為初始密度， V為粒子速度。7. 如權(quán)利要求1或2所述的一種基于質(zhì)點(diǎn)彈黃和流體力學(xué)的組織形變方法，其特征在 于:所述第五步中，設(shè)定一個(gè)將組織模型縮小1/2的剛性體，填充至組織內(nèi)，并設(shè)定該剛性體 的重屯、與組織模型的重屯、初始位置重合，并且在傳遞負(fù)載過(guò)程中剛性體的重屯、位置只在一 定范圍中運(yùn)動(dòng)，確保剛性體能夠不與組織表面直接接觸。8.如權(quán)利要求7所述的一種基于質(zhì)點(diǎn)彈黃和流體力學(xué)的組織形變方法，其特征在于:所 述的占據(jù)一定空間的剛性體，其只能做剛性運(yùn)動(dòng)，將剛性體整體看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行力的傳 遞，而剛性體的表面則限制了流體的表面，從而達(dá)到剛性體與流體共同傳遞負(fù)載。
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK105912859SQ201610223767
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月11日
【發(fā)明人】馮遠(yuǎn)靜, 馬詩(shī)畑, 張曉良, 邱懷宇, 曾慶潤(rùn), 胡家慶
【申請(qǐng)人】浙江工業(yè)大學(xué)義烏科學(xué)技術(shù)研究院有限公司