本發(fā)明涉及手術仿真模擬，尤其涉及基于整形手術的仿真模擬系統(tǒng)。

背景技術：

1、當前的整形手術仿真系統(tǒng)在精細建模、力學響應、流體仿真和實時反饋方面存在一定局限性?，F(xiàn)有系統(tǒng)對人體解剖結構的分層建模往往粗略，難以細致區(qū)分骨骼、肌肉、脂肪等層次，導致手術仿真缺乏真實的層次感。對于軟組織的力學行為仿真，傳統(tǒng)有限元法在實時性和精度上存在不足，尤其在動態(tài)切割和大變形下難以有效再現(xiàn)組織的真實力學響應。在整形手術的操作過程中，流動的血液以及由激光和電刀等設備產生的煙霧均為流體，流體的運動規(guī)律較為復雜，現(xiàn)有的仿真模擬方法通常未對血液和煙霧進行模擬，未能基于流體動力學還原復雜的手術環(huán)境，降低了仿真的沉浸感。此外，現(xiàn)有系統(tǒng)的觸覺反饋和實時性不足，無法為醫(yī)生提供真實的手術觸感與細節(jié)觀察支持，影響了仿真體驗的互動性和準確性。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對以上不足，提出了基于整形手術的仿真模擬系統(tǒng)，通過改進多層次模型構建、軟組織力學仿真和流體仿真，實現(xiàn)高度真實的手術過程模擬，提升了系統(tǒng)的互動性與精確性。

2、基于整形手術的仿真模擬系統(tǒng)，包括以下模塊：

3、對象模型構建模塊，用于構建整形對象的詳細模型，整形對象模型包括骨骼層、肌肉層、脂肪層、皮膚層、血管分布和其余軟組織分布；對象模型構建模塊包括參數(shù)構建單元和影像構建單元；

4、智能特征分析模塊，用于通過對多源數(shù)據(jù)進行分析，確定具體的整形部位及手術類型；智能特征分析模塊包括數(shù)據(jù)采集單元、分類分析單元和用戶確認單元；

5、術前方案設計模塊，用于為整形手術設計出合理的方案，滿足不同類型整形需求；術前方案設計模塊包括標準方案匹配單元、方案微調單元和自定義方案單元；

6、力學仿真模塊，用于對整形手術中涉及的軟組織力學特性進行仿真，確保在虛擬環(huán)境中準確反映整形手術的力學行為；力學仿真模塊包括力學特性構建單元、力學響應仿真單元和參數(shù)調整單元；

7、血液和煙霧仿真模塊，用于模擬整形手術中產生的血液流動和煙霧效果，提升仿真的真實性；該模塊包括血液仿真單元、煙霧仿真單元和gpu加速單元；

8、實時可視化與反饋模塊，用于通過虛擬現(xiàn)實技術，實現(xiàn)對整形手術效果的實時展示和交互；實時可視化與反饋模塊包括vr顯示單元、交互反饋單元和進度記錄單元；

9、術后評估模塊，用于對模擬手術過程進行分析，并評估最終的整形效果；術后評估模塊包括操作數(shù)據(jù)采集單元、整形效果評估單元和錯誤反饋單元。

10、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，對象模型構建模塊的參數(shù)構建單元和影像構建單元分別通過以下方法提升模型的構建效率和精度：

11、參數(shù)構建單元，基于預設模板，通過用戶輸入的參數(shù)生成整形對象模型，適用于簡單手術或訓練；

12、通過用戶輸入體型參數(shù)，體型參數(shù)包含性別、身高、體重、體脂率，在模型模版數(shù)據(jù)庫中匹配該體型下的標準完整對象模型；通過用戶輸入描述參數(shù)，在標準完整對象模型中匹配需求整形部位，將對象特征參數(shù)映射至需求整形部位中，通過模型映射生成具有多層結構的整形對象模型；

13、影像構建單元，通過核磁共振成像獲取精細的三維解剖影像數(shù)據(jù)，并構建符合設定精度的整形對象模型，適用于復雜手術或實際操作場景；

14、通過圖像識別算法分割骨骼、肌肉、脂肪、皮膚、血管和軟組織，對影像數(shù)據(jù)進行自動分層識別和建模，實現(xiàn)精細三維重構，以確保適用于復雜手術的高精度模型；

15、在簡單的手術場景下使用參數(shù)構建，在復雜或關鍵手術場景下采用影像構建，以平衡精度與成本來選擇數(shù)據(jù)源。

16、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，數(shù)據(jù)采集單元，用于整合患者自述信息、醫(yī)生評估信息和整形對象模型的特征數(shù)據(jù)，為特征分析提供基礎數(shù)據(jù)；

17、分類分析單元，用于結合特征分類模型對采集的患者自述信息、醫(yī)師評估信息、整形對象模型的特征數(shù)據(jù)進行多特征分析，將特征數(shù)據(jù)映射為整形手術中的具體需求，輸出有效的整形部位及手術類型，以便在用戶確認單元中作出最優(yōu)選擇；整形部位及手術類型的有效性通過特征分類模型輸出結果的準確率進行評估，將準確率與設置的有效閾值進行比較，結果大于有效閾值則判斷為有效；特征分類模型基于支持向量機構建，通過大量歷史數(shù)據(jù)進行標準訓練得到；

18、用戶確認單元，用于對分類分析單元的輸出結果進行確認，若分類分析單元無有效輸出結果，則由用戶選擇所需的整形部位及手術類型。

19、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，標準方案匹配單元：根據(jù)整形部位及類型，從預設的標準方案庫中選擇最適合的方案作為基礎；

20、方案微調單元，用于根據(jù)整形對象模型的特征數(shù)據(jù)在標準方案基礎上進行個性化調整，得到最終的整形模擬方案，以滿足具體對象的特定需求；

21、自定義方案單元，支持醫(yī)生重新設計手術方案，以便靈活應對獨特的整形模擬需求。

22、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，力學特性建模單元，根據(jù)軟組織的實際材料特性，對各層軟組織的彈性、黏性及應力-應變關系進行定義，建立符合生物力學規(guī)律的力學模型，并添加入整形對象模型對應的軟組織中；

23、力學響應仿真單元，基于有限元法，對切割、拉伸等作用下的組織響應進行高精度仿真，實時反饋操作力和軟組織形態(tài)變化，組織響應包含形變和回彈；

24、使用有限元法仿真組織響應的步驟包括：

25、離散化，將軟組織分解成許多小的有限元，每個軟組織單元的形變通過節(jié)點位移來描述；材料特性定義，依據(jù)軟組織的生物力學特性，為每個有限元分配適合的材料屬性，以精確模擬不同組織在外力作用下的不同響應；邊界條件與載荷應用，通過施加邊界條件和外部載荷，計算軟組織在力學作用下的形變分布和內部應力狀態(tài)；通過建立每個單元的應力-應變方程，將離散系統(tǒng)的各個單元的方程組裝成整體系統(tǒng)的方程，利用迭代法求解，計算出組織在外力下的變形和回彈；

26、參數(shù)調整單元，用于調整力學響應仿真單元中的參數(shù)，提供多種仿真情況。

27、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，血液仿真單元，用于通過改進sph算法計算navier-stokes方程，模擬出細致的血液動態(tài)，包括流速、流向和粘度變化；

28、煙霧仿真單元，基于marching?cubes算法對手術工具引發(fā)的煙霧進行體積建模和密度變化模擬；

29、gpu加速單元，以并行計算方式提升大量粒子模擬的效率，確保血液和煙霧仿真過程的實時性。

30、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，改進sph算法的優(yōu)化包括：

31、時間步長控制優(yōu)化，以平衡計算精度與實時性，將sph算法的時間步長優(yōu)化為一個較大值，以減少仿真計算的子時間步數(shù)；設最大時間步長，通過以下公式確定：；其中為光滑長度，為膨脹波速度，為最大粒子速度，為最大外力，為黏度系數(shù)；

32、計算用于衡量粒子之間的相互作用的核函數(shù)，核函數(shù)影響區(qū)域由光滑長度控制，核函數(shù)的梯度用于計算壓力和粘滯力，具體的核函數(shù)公式如下：；其中為維度常數(shù)，為兩粒子間的標量距離；

33、計算粒子之間的壓力，公式如下：；其中表示兩個粒子間的壓力，表示相鄰粒子j的質量，和分別為粒子i和j的壓力，和分別為粒子i和j的密度，表示梯度計算符號，為粒子i和j之間的核函數(shù)；

34、粘滯力的計算公式如下：；其中表示兩個粒子間的粘滯力，為動態(tài)黏度系數(shù)，和分別表示粒子i和j的速度向量；

35、使用改進的空間劃分方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的遍歷搜索法，將計算復雜度從o(n2)降低至o(nlogn)，將粒子劃分到網格中，通過遍歷周圍8個網格找到鄰近粒子，降低計算量和內存占用。

36、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，vr顯示單元，用于通過多角度視圖切換及vr環(huán)境，展現(xiàn)術前、術中、術后各階段的實時整形效果；

37、交互反饋單元，用于通過觸覺反饋裝置，在操作時將觸覺、壓力感受實時反饋至用戶手中，增強操作真實性；

38、進度記錄單元，用于自動記錄手術過程數(shù)據(jù)，包括操作順序、時長、力度參數(shù)等，為后續(xù)復盤及改進提供支持。

39、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，操作數(shù)據(jù)采集單元，用于記錄并存儲模擬手術過程中的操作數(shù)據(jù)，包含切割深度、力量和角度參數(shù)，以便分析操作質量；

40、整形效果評估單元，用于通過形態(tài)學指標自動化評估整形手術模擬結果，并生成整形評分，形態(tài)學指標包含對稱性、平滑度、偏差；

41、錯誤反饋單元，用于基于評估結果，生成操作錯誤報告，提供細化的改進建議，并儲存用戶操作數(shù)據(jù)用于訓練和優(yōu)化整形操作。

42、作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案，所述仿真模擬系統(tǒng)執(zhí)行的整形手術仿真方法包括以下步驟：

43、構建對象模型：通過對象模型構建模塊，選擇參數(shù)構建或影像構建方式生成整形對象的多層模型，所述模型包含骨骼層、肌肉層、脂肪層、皮膚層、血管分布和其余軟組織分布；

44、智能特征分析：利用智能特征分析模塊獲取患者自述信息、醫(yī)師評估信息和對象模型特征數(shù)據(jù)，結合分類算法分析對象模型，識別需整形的特征部位和類型，輸出分析結果，并由用戶確認是否執(zhí)行手術；

45、術前方案設計：根據(jù)分析結果，通過術前方案設計模塊選擇匹配的標準手術方案并進行微調，或在無匹配方案時重新設計整形手術方案；

46、力學仿真：使用力學仿真模塊對整形手術過程中軟組織的力學特性進行仿真，模擬外力作用下軟組織的變形響應；

47、血液和煙霧仿真：通過血液和煙霧仿真模塊，基于改進光滑粒子流體動力學方法模擬整形手術中血液流動，基于marching?cubes算法模擬手術中可能產生的煙霧效果；

48、實時可視化與反饋：利用實時可視化與反饋模塊，通過虛擬現(xiàn)實技術展示整形手術的實時效果，提供力覺和觸覺的反饋，以實現(xiàn)與真實手術的交互體驗；

49、術后評估：通過術后評估模塊采集模擬手術過程中的操作數(shù)據(jù)，對對象模型的整形效果進行評估，生成錯誤分析報告并提出改進建議。

50、本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

51、本發(fā)明通過對象模型構建模塊中的參數(shù)構建單元和影像構建單元，實現(xiàn)了骨骼、肌肉、脂肪、皮膚、血管等多層次解剖結構的精確建模；該模型為后續(xù)仿真操作提供了高精度的解剖基礎，能夠真實還原人體解剖特征，為整形手術方案設計和訓練提供可靠的模擬基礎；通過改進的光滑粒子流體動力學算法，并結合gpu并行計算，實現(xiàn)了整形手術中血液流動和煙霧擴散的精確動態(tài)仿真，提升了手術環(huán)境的真實性，能夠在模擬過程中逼真呈現(xiàn)血液和煙霧的物理效果，為醫(yī)生提供更接近真實的操作體驗。

52、本發(fā)明提供的智能特征分析模塊和術前方案設計模塊，能夠通過多源數(shù)據(jù)分析自動識別手術特征部位和類型，并從標準方案庫中匹配最優(yōu)方案，或根據(jù)對象特性進行個性化微調；這不僅簡化了方案設計過程，還提升了方案的準確性和實用性，為不同復雜度的整形手術提供了高效支持；通過改進的有限元法，本發(fā)明的力學仿真模塊能夠在虛擬手術環(huán)境中準確模擬軟組織在切割、拉伸等操作下的變形和回彈。