專(zhuān)利名稱(chēng)：基于受力分析和形變的計(jì)算機(jī)切割與縫合模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種圖像處理技術(shù)領(lǐng)域的模擬方法，特別是一種基于受力分析和形變的計(jì)算機(jī)切割與縫合模擬方法。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展，外科手術(shù)訓(xùn)練可以在由計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)的環(huán)境里面進(jìn)行，通過(guò)計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備對(duì)計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)的虛擬手術(shù)對(duì)象進(jìn)行外科手術(shù)的操作。用計(jì)算機(jī)模擬手術(shù)訓(xùn)練使得手術(shù)培訓(xùn)的時(shí)間大為縮短，同時(shí)減少了對(duì)昂貴的實(shí)驗(yàn)對(duì)象的需求且避免了倫理問(wèn)題。由于計(jì)算機(jī)模擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)可為操作者提供一個(gè)極具真實(shí)感的訓(xùn)練環(huán)境，還能夠給出手術(shù)練習(xí)的評(píng)價(jià)。對(duì)計(jì)算機(jī)模擬出來(lái)的手術(shù)操作對(duì)象(虛擬人或器官)進(jìn)行手術(shù)，不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的意外，能夠提高醫(yī)生的協(xié)作能力，所以通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬外科手術(shù)成為了一個(gè)具有廣泛前景的領(lǐng)域。
對(duì)于計(jì)算機(jī)模擬外科手術(shù)的方法，現(xiàn)今模擬外科手術(shù)中的切割方法，多是從改變軟組織模型的網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，來(lái)模型切割的效果，如1999年Saran F等人提出的刪除切割路徑上的網(wǎng)格連接來(lái)模擬切割操作到后來(lái)進(jìn)一步的針對(duì)各種面模型及體模型的三角片或四面體劃分，頂點(diǎn)移動(dòng)的方法來(lái)進(jìn)行拓?fù)渲貥?gòu)模擬切割的效果，但是都并沒(méi)有加入詳細(xì)的針對(duì)于切割模擬中的力學(xué)分析，如軟組織受到切割工具壓力后的表面張力的分析，與切割工具間的摩擦力分析，以及軟組織在切割過(guò)程中的形變的分析。
而對(duì)于模擬外科手術(shù)中縫合操作的方法，2002年A Ladd和2003年M.Leduc等人用彈簧模型對(duì)縫合線(xiàn)進(jìn)行建模，然而彈簧模型對(duì)縫合線(xiàn)建模存在一些缺陷，比如受力只有沿著彈簧的方向的時(shí)候力才能正確的傳導(dǎo)，而且有形變局部性等局限力的正確傳導(dǎo)，縫合本身與軟組織之間的模擬不夠逼真，且縫合不能準(zhǔn)確地反映受力的情況，因而不能很好地進(jìn)行進(jìn)一步力反饋的分析及編程。Joel Brown，SSorkin，JC Latombe等人在《Medical Image Analysis》(醫(yī)學(xué)圖像分析)2002撰文“Algorithmic tools for real-time microsurgery simulation”(實(shí)時(shí)微創(chuàng)手術(shù)模擬的算法工具)。其中提出的縫合模擬方法是在模擬中將縫合線(xiàn)模擬成一些剛體連接，用控制點(diǎn)的方法替代了力學(xué)分析。雖然其模擬逼真，自碰撞檢測(cè)與打結(jié)操作中實(shí)現(xiàn)容易，然后在受力模擬上仍不夠逼真而且不能進(jìn)行正確的分析。而另外一些人用樣條擬合等幾何模擬的方法等對(duì)縫合線(xiàn)進(jìn)行建模都存在模擬不夠逼真或者不能很好地進(jìn)行受力分析等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于受力分析和形變的計(jì)算機(jī)切割與縫合模擬方法。本發(fā)明通過(guò)模擬切割過(guò)程中的針對(duì)切割時(shí)軟組織形變處理，縫合模擬方法完善了快速的縫合線(xiàn)模型軌跡跟蹤及提供了準(zhǔn)確的力反饋信息。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，首先通過(guò)基于質(zhì)點(diǎn)彈簧與中心線(xiàn)描繪法方法對(duì)軟組織進(jìn)行建模，重建對(duì)象的表面，并在對(duì)象中心抽象出一條中心線(xiàn)，中心線(xiàn)向表面射出幅軸并與表面連接，通過(guò)中心線(xiàn)帶動(dòng)表面產(chǎn)生整體形變，建立一個(gè)碰撞檢測(cè)技術(shù)，進(jìn)行切割模擬與縫合模擬。
本發(fā)明涉及的基于受力分析和形變模擬的計(jì)算機(jī)切割模擬的方法，具體步驟如下①用計(jì)算機(jī)對(duì)切割工具進(jìn)行剛體建模，切割工具本身不會(huì)因?yàn)槭芰Ξa(chǎn)生形變，通過(guò)用戶(hù)操作定位切割工具模型，并且循環(huán)地進(jìn)行碰撞檢測(cè)。
②進(jìn)行碰撞檢測(cè)及模擬表面張力，一旦檢測(cè)到切割工具模型與軟組織模型發(fā)生碰撞，與刀片模型接觸的軟組織模型的表面質(zhì)點(diǎn)將跟著刀片模型一塊移動(dòng)，同時(shí)計(jì)算彈簧產(chǎn)生的內(nèi)力的大小，并且比較發(fā)生彈簧斷裂的臨界值與刀片模型直接接觸的質(zhì)點(diǎn)受力的大小，一旦質(zhì)點(diǎn)受力大于可承受的最大表面張力，就進(jìn)入第三步。
③模擬表面張力釋放過(guò)程及摩擦力。比較表面張力大小及表面斷裂臨界值，與刀片模型接觸的質(zhì)點(diǎn)所受外力一旦大于其所能承受的最大張力，彈簧斷裂，這時(shí)候質(zhì)點(diǎn)之間的彈簧的內(nèi)力都變成了回復(fù)力，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，質(zhì)點(diǎn)便可自恢復(fù)到平衡位置。同時(shí)，如果刀片模型繼續(xù)往下運(yùn)動(dòng)，將對(duì)周?chē)M織的彈簧質(zhì)點(diǎn)施以一個(gè)向下的摩擦力f。
④模擬在切割過(guò)程中產(chǎn)生的整體形變，方法如下因?yàn)閺椈赡Ｐ偷男巫兙植啃栽?，無(wú)法因?yàn)槭芰Ξa(chǎn)生整體形變的效果，于是這里借助中心線(xiàn)產(chǎn)生整體形變的效果。
從刀片接觸到軟組織表面到刀片繼續(xù)往下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，刀片所碰到的彈簧跟著刀片一起運(yùn)動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)軟組織表面產(chǎn)生的應(yīng)力 如果ΣiFi<K,]]>則將f(∑Fi)加到中心線(xiàn)上，由中心線(xiàn)帶動(dòng)表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生整體性變。這里i表示的是與刀片有接觸的表面質(zhì)點(diǎn)，F(xiàn)i是i點(diǎn)所受外力的大小，K是最大表面張力，f是一個(gè)線(xiàn)性變換f(x)＝kx，根據(jù)不同的操作，可人為設(shè)定k值，目的是使性變看上去更真實(shí)。在實(shí)際操作中k值定義為0.5.表面張力釋放時(shí)，同時(shí)釋放加在中心線(xiàn)上的力。
本發(fā)明涉及的基于受力分析和形變模擬的計(jì)算機(jī)縫合模擬的方法，具體步驟如下①用計(jì)算機(jī)對(duì)縫合線(xiàn)進(jìn)行剛體建模，將縫合線(xiàn)模擬為多個(gè)點(diǎn)的剛體連接，不設(shè)重力場(chǎng)力，磁場(chǎng)力等各種場(chǎng)力。
②對(duì)模擬的縫合線(xiàn)進(jìn)行軌跡跟蹤。用控制點(diǎn)跟蹤法對(duì)縫合線(xiàn)模型進(jìn)行軌跡跟蹤?？刂泣c(diǎn)跟蹤法定義縫合線(xiàn)上受到外力的點(diǎn)為控制點(diǎn)，這里具體定義為由針頭牽引的縫合線(xiàn)模型起點(diǎn)和穿過(guò)軟組織模型表面的相互作用的點(diǎn)。由控制點(diǎn)的位移情況決定其他各非控制點(diǎn)位移。實(shí)際縫合操作中縫合線(xiàn)穿過(guò)軟組織產(chǎn)生一個(gè)小洞，通過(guò)這個(gè)小洞產(chǎn)生摩擦力。在這兒這個(gè)小洞模擬成將穿過(guò)軟組織模型的控制點(diǎn)與最近的表面質(zhì)點(diǎn)擬合成一個(gè)點(diǎn)，一起運(yùn)動(dòng)，為了模擬縫合線(xiàn)最終將被縫合物體兩端拉近的操作，默認(rèn)縫合線(xiàn)模型末端結(jié)點(diǎn)不能通過(guò)軟組織表面，即不能發(fā)生滑動(dòng)行為。如果縫合線(xiàn)模型的最后一個(gè)點(diǎn)也變成了控制點(diǎn)，則利用這個(gè)特殊的末端控制點(diǎn)，可以慢慢加大縫合線(xiàn)模型末端的拉力從而將被縫合物體兩端拉近。
③循環(huán)地進(jìn)行碰撞檢測(cè)，一旦檢測(cè)到針頭與軟組織模型表面產(chǎn)生碰撞時(shí)，針頭帶動(dòng)與其接觸的表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)計(jì)算表面張力，即與針頭接觸的表面質(zhì)點(diǎn)受到的外力，如果其大于能承受的最大表面張力時(shí)，發(fā)生刺穿的行為，釋放軟組織模型與針頭接觸的表面質(zhì)點(diǎn)受到的外力，并將縫合線(xiàn)模型第一個(gè)結(jié)點(diǎn)設(shè)為控制點(diǎn)，將其最近的表面質(zhì)點(diǎn)與該控制點(diǎn)擬合成一個(gè)點(diǎn)，一起運(yùn)動(dòng)。
④模擬摩擦力和縫合線(xiàn)滑動(dòng)操作。對(duì)每一個(gè)控制點(diǎn)Ni在控制點(diǎn)所擬合的表面質(zhì)點(diǎn)，計(jì)算其受到的摩擦力f=μPrjvvF,]]>其中μ為摩擦系數(shù)， 表示該質(zhì)點(diǎn)所受外力F在相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向 上的投影。如果f＜K，其中K為最大摩擦力，與該控制點(diǎn)連接的表面質(zhì)點(diǎn)mi繼續(xù)隨著該控制點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。反之，當(dāng)f＞K時(shí)，發(fā)生控制點(diǎn)轉(zhuǎn)移行為，模擬滑動(dòng)操作，即將控制點(diǎn)Ni的后一個(gè)點(diǎn)定義為控制點(diǎn)，將彈簧質(zhì)點(diǎn)mi與新控制點(diǎn)連接。
⑤用計(jì)算機(jī)循環(huán)計(jì)算縫合線(xiàn)模型的張力，通過(guò)個(gè)控制點(diǎn)之間力的迭代的方法計(jì)算縫合線(xiàn)模型的內(nèi)力，具體方法是從頭開(kāi)始掃描，N0N1，...Nk為縫合線(xiàn)上的各個(gè)控制點(diǎn)，從縫合線(xiàn)起點(diǎn)N0向后找到控制點(diǎn)Ni，保證N0N1，N1N2，...，Ni-1Ni都是拉直的線(xiàn)段，并且NiNi+1不是拉直的，因?yàn)榉抢钡木€(xiàn)不存在張力，所以只需要計(jì)算點(diǎn)N0到Ni間的張力。首先得到控制點(diǎn)Ni，處的外力在縫合線(xiàn)方向上的投影 其中fi是Ni處的外力。將fNi近似模擬為縫合線(xiàn)中Ni-1Ni段的張力 相同地得到點(diǎn)Ni-1處的外力在縫合線(xiàn)方向上的投影 Ni-1為了達(dá)到平衡，需要滿(mǎn)足FNi-2Ni-1‾=FNi-1Ni‾+fNi-1]]>同理，可按此方法迭代得出FNi-3Ni-2‾=FNi-2Ni-1‾+fNi-2,]]>直到縫合線(xiàn)起點(diǎn)， 便是縫合線(xiàn)起始端(縫合針)應(yīng)該施加的外力。
⑥模擬縫合的過(guò)程中整體形變，通過(guò)模型的中心線(xiàn)，將局部形變傳導(dǎo)到整體，模擬縫合過(guò)程中產(chǎn)生的整體形變，方法如下因?yàn)閺椈赡Ｐ偷男巫兙植啃栽?，無(wú)法因?yàn)槭芰Ξa(chǎn)生整體形變的效果，于是這里借助中心線(xiàn)產(chǎn)生整體形變的效果。
從刀片接觸到軟組織表面到刀片繼續(xù)往下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，刀片所碰到的彈簧跟著刀片一起運(yùn)動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)軟組織表面產(chǎn)生的應(yīng)力 如果ΣiFi<K,]]>則將f(∑Fi)加到中心線(xiàn)上，由中心線(xiàn)帶動(dòng)表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生整體性變。這里i表示的是與刀片有接觸的表面質(zhì)點(diǎn)，F(xiàn)i是i點(diǎn)所受外力的大小，K是最大表面張力，f是一個(gè)線(xiàn)性變換f(x)=kx，根據(jù)不同的操作，可人為設(shè)定k值，目的是使性變看上去更真實(shí)。在實(shí)際操作中k值定義為0.5.表面張力釋放時(shí)，同時(shí)釋放加在中心線(xiàn)上的力。
本發(fā)明的切割方法針對(duì)軟組織的形變特點(diǎn)，在局部與整體都能快速逼真地模擬軟組織切割的效果，而不是簡(jiǎn)單的拓?fù)渲貥?gòu)，模擬縫合的方法繼承了控制點(diǎn)跟蹤法達(dá)到快速的計(jì)算效果，并且通過(guò)迭代張力計(jì)算法可以快速而相對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算出縫合線(xiàn)模型每一段的張力，可以進(jìn)一步地相對(duì)準(zhǔn)確地進(jìn)行力反饋編程，能夠快速，準(zhǔn)確地模擬切割與縫合操作。


圖1為用計(jì)算機(jī)模擬的切割的流程2為用計(jì)算機(jī)模擬的縫合的流程圖具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
從CT或DICOM數(shù)據(jù)中讀取血管數(shù)據(jù)后，按圖1所示的步驟用計(jì)算機(jī)模擬血管切割的方法(1)通過(guò)基于質(zhì)點(diǎn)彈簧模型與中心線(xiàn)描繪法的建模方法對(duì)血管進(jìn)行建模，對(duì)切割工具進(jìn)行剛體建模。
(2)通過(guò)交互設(shè)備，鼠標(biāo)或力反饋設(shè)備控制虛刀片模型移動(dòng)。
(3)模擬切割過(guò)程中的表面張力，當(dāng)?shù)镀Ｐ团c血管模型碰撞時(shí)，發(fā)生碰撞的血管壁的表面質(zhì)點(diǎn)隨著切割工具一起移動(dòng)，表面彈簧不斷裂，同時(shí)由系統(tǒng)計(jì)算表面張力大小，當(dāng)表面張力大于最大表面張力時(shí)，模擬血管壁表面彈簧斷裂，然后模擬表面張力釋放的過(guò)程。
(4)模擬摩擦力。繼續(xù)通過(guò)外圍設(shè)備控制刀片模型移動(dòng)，模擬切割過(guò)程中刀片模型對(duì)虛擬血管壁的摩擦力，直到其完全斷裂，整個(gè)模擬血管切割的操作完成。
按圖2所示的步驟通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬血管縫合的方法(1)在計(jì)算機(jī)中通過(guò)質(zhì)點(diǎn)彈簧模型與中心線(xiàn)描繪法的模擬出一條虛擬血管，并對(duì)縫合工具進(jìn)行剛體建模。
(2)通過(guò)交互設(shè)備，鼠標(biāo)或力反饋設(shè)備控制縫合線(xiàn)模型的針頭移動(dòng)，通過(guò)針頭帶動(dòng)縫合線(xiàn)模型移動(dòng)。
(3)模擬刺穿的操作。當(dāng)虛擬針頭與虛擬血管壁碰撞時(shí)，發(fā)生碰撞的質(zhì)點(diǎn)隨著針頭一起運(yùn)動(dòng)，表面彈簧不斷裂，同時(shí)由計(jì)算機(jī)計(jì)算表面張力大小，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)所受表面張力大于最大表面張力時(shí)，發(fā)生刺穿的行為，虛擬針頭穿透軟組織模型，模擬血管壁表面張力釋放的過(guò)程。
(4)模擬滑動(dòng)操作及摩擦力。繼續(xù)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬縫合工具移動(dòng)，剌穿另一端被縫合的虛擬血管壁。同時(shí)由系統(tǒng)根據(jù)控制點(diǎn)跟蹤法計(jì)算縫合線(xiàn)軌跡及運(yùn)用迭代張力計(jì)算法計(jì)算模擬縫合線(xiàn)的各段張力大小。
(5)繼續(xù)通過(guò)外圍設(shè)備“拉緊”縫合線(xiàn)模型，由于縫合線(xiàn)模型最后一點(diǎn)作為特殊控制點(diǎn)，不可穿越血管壁模型，通過(guò)迭代張力計(jì)算法，張力逐漸增大，虛擬血管壁兩端最終由縫合線(xiàn)模型拉到一起，并擬合成一點(diǎn)，完成整個(gè)模擬縫合操作的過(guò)程。
權(quán)利要求
1.一種基于受力分析和形變的計(jì)算機(jī)切割模擬的方法，其特征在于，具體步驟如下①用計(jì)算機(jī)對(duì)切割工具進(jìn)行剛體建模，切割工具通過(guò)用戶(hù)操作定位切割工具模型，并且循環(huán)地進(jìn)行碰撞檢測(cè)；②檢測(cè)碰撞及模擬表面張力，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)受力大于可承受的最大表面張力，就進(jìn)入第③步；③模擬表面張力釋放過(guò)程及摩擦力，比較表面張力大小及表面斷裂臨界值，與刀片模型接觸的質(zhì)點(diǎn)所受外力一旦大于其所能承受的最大張力，彈簧斷裂，這時(shí)候質(zhì)點(diǎn)之間的彈簧的內(nèi)力都變成了回復(fù)力，然后，質(zhì)點(diǎn)便可自恢復(fù)到平衡位置；同時(shí)，如果刀片模型繼續(xù)往下運(yùn)動(dòng)，將對(duì)周?chē)M織的彈簧質(zhì)點(diǎn)施以一個(gè)向下的摩擦力f；④模擬在切割過(guò)程中產(chǎn)生的整體形變，通過(guò)模型的中心線(xiàn)，將局部形變傳導(dǎo)到整體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于受力分析和形變的計(jì)算機(jī)模擬的方法，其特征是，所述的步驟②檢測(cè)碰撞及模擬表面張力，是指當(dāng)檢測(cè)到切割工具模型與軟組織模型發(fā)生碰撞時(shí)，與刀片模型接觸的軟組織模型的表面質(zhì)點(diǎn)將跟著刀片模型一塊移動(dòng)，同時(shí)計(jì)算彈簧產(chǎn)生的內(nèi)力的大小，并且比較發(fā)生彈簧斷裂的臨界值與刀片模型直接接觸的質(zhì)點(diǎn)受力的大小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于受力分析和形變的計(jì)算機(jī)模擬的方法，其特征是，所述的步驟④，其方法如下從刀片接觸到軟組織表面到刀片繼續(xù)往下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，刀片所碰到的彈簧跟著刀片一起運(yùn)動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)軟組織表面產(chǎn)生的應(yīng)力 如果ΣiFi<K,]]>則將f(∑fi)加到中心線(xiàn)上，由中心線(xiàn)帶動(dòng)表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生整體性變，這里i表示的是與刀片有接觸的表面質(zhì)點(diǎn)，F(xiàn)i是i點(diǎn)所受外力的大小，K是最大表面張力，f是一個(gè)線(xiàn)性變換f(x)＝kx，根據(jù)不同的操作，可人為設(shè)定k值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于受力分析和形變的計(jì)算機(jī)模擬的方法，其特征是，所述的k值，在實(shí)際操作中k值定義為0.5.表面張力釋放時(shí)，同時(shí)釋放加在中心線(xiàn)上的力。
5.一種基于受力分析和形變的計(jì)算機(jī)縫合模擬的方法，其特征在于，具體步驟如下①用計(jì)算機(jī)對(duì)縫合線(xiàn)進(jìn)行剛體建模，將縫合線(xiàn)模擬為多個(gè)點(diǎn)的剛體連接；②對(duì)模擬的縫合線(xiàn)進(jìn)行軌跡跟蹤，默認(rèn)縫合線(xiàn)模型末端結(jié)點(diǎn)不能通過(guò)軟組織表面，如果縫合線(xiàn)模型的最后一個(gè)點(diǎn)也變成了控制點(diǎn)，則利用這個(gè)特殊的末端控制點(diǎn)，加大縫合線(xiàn)模型末端的拉力從而將被縫合物體兩端拉近；③循環(huán)地進(jìn)行碰撞檢測(cè)，將控制點(diǎn)與表面質(zhì)點(diǎn)一起運(yùn)動(dòng)；④模擬摩擦力和縫合線(xiàn)滑動(dòng)操作；⑤通過(guò)個(gè)控制點(diǎn)之間力的迭代的方法計(jì)算縫合線(xiàn)模型的內(nèi)力，用計(jì)算機(jī)循環(huán)計(jì)算縫合線(xiàn)模型的張力；⑥模擬縫合的過(guò)程中整體形變，通過(guò)模型的中心線(xiàn)，將局部形變傳導(dǎo)到整體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于受力分析和形變的計(jì)算機(jī)縫合模擬的方法，其特征是，所述的縫合線(xiàn)，縫合線(xiàn)穿過(guò)軟組織產(chǎn)生一個(gè)小洞，通過(guò)這個(gè)小洞產(chǎn)生摩擦力，這個(gè)小洞模擬成將穿過(guò)軟組織模型的控制點(diǎn)與最近的表面質(zhì)點(diǎn)擬合成一個(gè)點(diǎn)，一起運(yùn)動(dòng)，為了模擬縫合線(xiàn)最終將被縫合物體兩端拉近的操作；
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于受力分析和形變的計(jì)算機(jī)縫合模擬的方法，其特征是，步驟③，是指當(dāng)檢測(cè)到針頭與軟組織模型表面產(chǎn)生碰撞時(shí)，針頭帶動(dòng)與其接觸的表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)計(jì)算表面張力，即與針頭接觸的表面質(zhì)點(diǎn)受到的外力；當(dāng)其大于能承受的最大表面張力時(shí)，發(fā)生刺穿的行為，釋放軟組織模型與針頭接觸的表面質(zhì)點(diǎn)受到的外力，并將縫合線(xiàn)模型第一個(gè)結(jié)點(diǎn)設(shè)為控制點(diǎn)，將其最近的表面質(zhì)點(diǎn)與該控制點(diǎn)擬合成一個(gè)點(diǎn)，一起運(yùn)動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于受力分析和形變的計(jì)算機(jī)縫合模擬的方法，其特征是，步驟④，是指對(duì)每一個(gè)控制點(diǎn)Ni在控制點(diǎn)所擬合的表面質(zhì)點(diǎn)，計(jì)算其受到的摩擦力f=μPrjvvF,]]>其中μ為摩擦系數(shù)， 表示該質(zhì)點(diǎn)所受外力F在相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向 上的投影，如果f＜K，其中K為最大摩擦力，與該控制點(diǎn)連接的表面質(zhì)點(diǎn)mi繼續(xù)隨著該控制點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，反之，當(dāng)f＞K時(shí)，發(fā)生控制點(diǎn)轉(zhuǎn)移行為，模擬滑動(dòng)操作，即將控制點(diǎn)Ni的后一個(gè)點(diǎn)定義為控制點(diǎn)，將彈簧質(zhì)點(diǎn)mi與新控制點(diǎn)連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于受力分析和形變的計(jì)算機(jī)縫合模擬的方法，其特征是，步驟⑤，具體方法是從頭開(kāi)始掃描，N0N1，...Nk為縫合線(xiàn)上的各個(gè)控制點(diǎn)，從縫合線(xiàn)起點(diǎn)N0向后找到控制點(diǎn)Ni，保證N0N1，N1N2，...，Ni-1Ni都是拉直的線(xiàn)段，并且NiNi+1不是拉直的，計(jì)算點(diǎn)N0到Ni間的張力，首先得到控制點(diǎn)Ni處的外力在縫合線(xiàn)方向上的投影 其中是Ni處的外力，將fNi近似模擬為縫合線(xiàn)中Ni-1Ni段的張力 相同地得到點(diǎn)Ni-1處的外力在縫合線(xiàn)方向上的投影 Ni-1為了達(dá)到平衡，需要滿(mǎn)足FNI-2NI-1‾=FNi-1Ni‾+fNi-1;]]>同理，按此方法迭代得出FNi-3Ni-2‾=FNi-2Ni-1‾+fNi-2,]]>直到縫合線(xiàn)起點(diǎn)， 便是縫合線(xiàn)起始端縫合針施加的外力。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于受力分析和形變的計(jì)算機(jī)縫合模擬的方法，其特征是，所述的模擬縫合過(guò)程中產(chǎn)生的整體形變，方法如下從刀片接觸到軟組織表面到刀片繼續(xù)往下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，刀片所碰到的彈簧跟著刀片一起運(yùn)動(dòng)，同時(shí)檢測(cè)軟組織表面產(chǎn)生的應(yīng)力 如果ΣiFi<K,]]>則將f(∑Fi)加到中心線(xiàn)上，由中心線(xiàn)帶動(dòng)表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生整體性變，這里i表示的是與刀片有接觸的表面質(zhì)點(diǎn)，F(xiàn)i是i點(diǎn)所受外力的大小，K是最大表面張力，f是一個(gè)線(xiàn)性變換f(x)＝kx，根據(jù)不同的操作，在實(shí)際操作中k值定義為0.5.表面張力釋放時(shí)，同時(shí)釋放加在中心線(xiàn)上的力。
全文摘要
一種圖像處理技術(shù)領(lǐng)域的基于受力分析和形變的計(jì)算機(jī)切割與縫合模擬方法，本發(fā)明首先通過(guò)基于質(zhì)點(diǎn)彈簧與中心線(xiàn)描繪法方法對(duì)軟組織進(jìn)行建模，重建對(duì)象的表面，并在對(duì)象中心抽象出一條中心線(xiàn)。中心線(xiàn)向表面射出幅軸并與表面連接，通過(guò)中心線(xiàn)帶動(dòng)表面產(chǎn)生整體形變。在此基礎(chǔ)上建立一個(gè)合理快速的碰撞檢測(cè)技術(shù)，并進(jìn)行切割與縫合的模擬。本發(fā)明汲取現(xiàn)有方法的優(yōu)點(diǎn)，并加以?xún)?yōu)化整合，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)的計(jì)算機(jī)模擬外科手術(shù)訓(xùn)練中的切割縫合操作的功能。
文檔編號(hào)G06G7/48GK1996396SQ20061014764
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月21日
發(fā)明者顧力栩, 張靜思, 張少霆, 黃鵬飛 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)