專利名稱: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)縫合線進(jìn)行建模,然而彈簧模型對(duì)縫合線建模存在一些缺陷,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,中心線向表面射出幅軸并與表面連接,通過(guò)中心線帶動(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)周圍組織的彈簧質(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)加到中心線上,由中心線帶動(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)縫合線進(jìn)行剛體建模,將縫合線模擬為多個(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)模擬的縫合線進(jìn)行軌跡跟蹤。用控制點(diǎn)跟蹤法對(duì)縫合線模型進(jìn)行軌跡跟蹤??刂泣c(diǎn)跟蹤法定義縫合線上受到外力的點(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),為了模擬縫合線最終將被縫合物體兩端拉近的操作,默認(rèn)縫合線模型末端結(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)算縫合線模型的內(nèi)力,具體方法是從頭開(kāi)始掃描,N0N1,...Nk為縫合線上的各個(gè)控制點(diǎn),從縫合線起點(diǎn)N0向后找到控制點(diǎn)Ni,保證N0N1,N1N2,...,Ni-1Ni都是拉直的線段,并且NiNi+1不是拉直的,因?yàn)榉抢钡木€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近似模擬為縫合線中Ni-1Ni段的張力
相同地得到點(diǎn)Ni-1處的外力在縫合線方向上的投影 Ni-1為了達(dá)到平衡,需要滿足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,]]>直到縫合線起點(diǎn),
便是縫合線起始端(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,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)加到中心線上,由中心線帶動(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)模擬的切割的流程圖圖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)備控制縫合線模型的針頭移動(dòng),通過(guò)針頭帶動(dòng)縫合線模型移動(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)算縫合線軌跡及運(yùn)用迭代張力計(jì)算法計(jì)算模擬縫合線的各段張力大小。
(5)繼續(xù)通過(guò)外圍設(shè)備“拉緊”縫合線模型,由于縫合線模型最后一點(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)周圍組織的彈簧質(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,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)加到中心線上,由中心線帶動(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)縫合線進(jìn)行剛體建模,將縫合線模擬為多個(gè)點(diǎn)的剛體連接;②對(duì)模擬的縫合線進(jìn)行軌跡跟蹤,默認(rèn)縫合線模型末端結(jié)點(diǎn)不能通過(guò)軟組織表面,如果縫合線模型的最后一個(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)算縫合線模型的內(nèi)力,用計(jì)算機(jī)循環(huán)計(jì)算縫合線模型的張力;⑥模擬縫合的過(guò)程中整體形變,通過(guò)模型的中心線,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,縫合線穿過(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為縫合線上的各個(gè)控制點(diǎn),從縫合線起點(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處的外力在縫合線方向上的投影
其中是Ni處的外力,將fNi近似模擬為縫合線中Ni-1Ni段的張力
相同地得到點(diǎn)Ni-1處的外力在縫合線方向上的投影
Ni-1為了達(dá)到平衡,需要滿足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,]]>直到縫合線起點(diǎn),
便是縫合線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)加到中心線上,由中心線帶動(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)釋放加在中心線上的力。
專利摘要
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。中心線向表面射出幅軸并與表面連接,通過(guò)中心線帶動(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),并加以優(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)G06G7/48GK1996396SQ200610147641
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期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)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan