永磁同步直线电机定位力测试实验研究

为满足平板式三相交流永磁同步直线电动机(PMLSM)推力平稳性要求,利用有限元方法分析端部力和齿槽力的形成原因和波动规律,介绍了一种全行程往复运动双向测量的直线电机定位力的方法,可以克服摩擦力的影响,并在样机上实验完成。测试中利用高性能数字信号处理器TMS320F2812DSP采集力传感器和光栅信号,能较准确、快速地计算出对应位置上的定位力,误差稳定在3 N以内。实验结果与理论分析基本一致,为高性能直线电机伺服控制器的改进设计提供了客观数据。     

基于无网格的软组织物理建模及模型验证*

为了建立精确可靠的软组织物理形变模型对肝脏的生物力学模型进行了研究。首先,将人体肝脏CT图像在Mimics软件中进行三维重建,通过阈值化操作提取出肝脏的三维模型;其次,采用无网格的物理形变算法在虚拟肝脏仿真系统中对三维模型进行形变模拟,且通过对真实的猪肝进行单轴压缩实验获取肝脏的材料参数及应力应变曲线;最后,对实验结果进行优化计算选取合适的材料参数,并将使用该参数进行仿真计算的数据与真实实验数据进行比较。对比结果表明：在相同的位移条件下,仿真计算力与真实实验测试力的平均相对误差小于0.1,这证实了无网格形变模型的正确性和有效性。     

基于改进弹簧振子模型的软组织形变仿真

研究虚拟手术中软组织形变的特定性优化问题。传统弹簧振子模型由于采用线弹力方程及显示欧拉积分法求解,导致的真实性低、计算复杂、实时性差的问题。为解决形变动特性问题,提出一种改进弹簧振子模型的形变方法,采用四面体网格弹簧振子模型进行建模,并通过定义质点间弹簧的非线性弹力方程以及作用于质点的体积力方程,来减弱超弹性现象的发生,提高真实性。模型求解时,采用一种改进显式欧拉积分的动态局部算法来求解形变方程。实验结果表明,所提算法提高了形变仿真的真实性、实时性和稳定性,可为软组织形变动态仿真系统的设计提供参考。     

基于状态空间预计算的软组织实时形变模型

为提高混合软组织实时形变模型(HSTDM)的计算效率,提出一种基于状态空间预计算的混合软组织实时形变模型。利用HSTDM模型,通过离线预计算方式得到离散形变状态空间的精确数据,在实时交互时采用光滑粒子流插值函数计算力反馈和形变节点的偏移值。仿真结果表明,该模型能够描述软组织线性、非线性和各向异性材料特性,并在视觉和触觉上分别达到60 Hz和500 Hz以上的刷新率。     

基于LabVIEW的力觉检测系统

研究了手术过程中穿刺针与生物组织的相互作用力,对穿刺力进行了建模,搭建了生物软组织的力觉检测系统,检测系统由软、硬件2部分组成.其中,硬件平台采用了德国生产的高精度位移平台为穿刺针提供动力,利用压阻式力传感器进行力信号检测,并通过数据采集卡实时收集力信号.软件平台利用LabVIEW编程控制电机的运动和数据采集.利用平台进行了针穿刺实验,并利用MATLAB对实验数据进行了处理和分析,得出了穿刺力—位移曲线及其与影响因素的关系.     

基于IVUS影像的血管壁局部应变计算方法

动脉血管弹性是反映人体血管系统好坏的重要指标,分析血管壁弹性对早期识别易损斑块、防治心血管疾病具有重要意义。而弹性又以一定力作用下血管壁产生的应变来衡量,研究管壁应变的精确计算方法成为判定血管弹性的关键。在血管内超声图像的基础上,利用有限单元法对血管壁区域进行三角形网格划分,以三角形单元为基础求解血管壁平面二维应变的三个分量,即沿x轴、y轴方向的线应变（正应变）和线段夹角的改变量（切应变）。与一维应变相比,二维应变不仅提供了更多的应变参考数据,还将相邻点之间的形变影响因素也加入到计算中,提高了计算精度。实验计算数据也表明二维应变的分析结果与血管壁区域像素点的实际运动相符合。     

耦合无网格迦辽金与质点弹簧实现软组织形变仿真

软组织形变仿真是虚拟手术系统的关键技术.针对目前软组织形变仿真方法存在的问题,基于黏弹性力学模型提出了无网格伽辽金(EFG)与质点弹簧(MS)耦合的软组织形变仿真方法.在手术区域即大变形和拓扑改变区域采用EFG,其他区域采用MS方法,2个区域之间建立过渡单元;在过渡单元内建立过渡节点,根据过渡节点必须满足位移和力平衡条件来实现2个区域的无缝耦合.对人体肝脏的形变仿真实验结果表明,该方法是有效的.     

质点弹簧模型在牙龈软组织形变仿真上的改进与应用

牙龈软组织的形变仿真和建模是虚拟牙齿矫正系统的重要部分.针对外力过大时传统质点弹簧模型引起的牙龈脱落牙齿的"超弹性"问题,在传统"面模型"的基础上,通过对比形变效果和形变速度来设置形变弹簧最优阈值.当形变弹簧缩短或伸长超过阈值时,将弹簧长度恢复为原始长度以作为下一次单步形变的初始长度,从而使面模型具有一种"体"的特征.在形变结束后采用"光滑度之和"来度量牙龈表面的光滑度,该方法从数值上对光滑度进行合理定义.在VTK环境下实现改进模型及相关模型,在真实扫描的牙颌三维模型数据上进行牙龈软组织形变仿真对比实验.结果表明,改进模型形变速度提高28%以上且光滑度之和明显降低,说明改进模型在保证较快形变速度的前提下较好地解决了超弹性问题.     

虚拟手术仿真中人体软组织形变技术的研究

对虚拟手术仿真中人体软组织形变技术进行深入研究,利用OpenGL三维图形标准建立了基于质点-弹簧物理模型的虚拟人体软组织形变系统。围绕虚拟手术仿真中人体软组织形变的逼真度和实时性两大要素展开研究,通过对比四边形网格结构提出了改进的基于质点-弹簧模型的正六边形几何拓扑结构,并对软组织形变动力学模型及其数值积分算法、软组织形变力反馈计算模型进行了讨论,针对以往的虚拟手术器械与软组织表面接触时作用点的最近邻质点求取算法存在的不足,提出了改进的求取算法。实验结果表明,改进的算法在模拟软组织形变时具有较好的稳定性和实时性。     

外力作用下番茄植株形变的动态模拟

提出一种模拟番茄植株形变过程的计算机方法.该方法针对番茄的虚拟模型,结合材料力学中弹性杆的变形计算原理,给出计算番茄主茎和叶轴变形的数学公式,并基于阻尼振动原理,模拟了枝茎变形后的形态恢复过程.该方法已经使用OpenGL在NVIDIA GeForce3图形硬件上实现.实验结果显示,利用这种方法可以实现不同拉力和触动力作用下番茄植株形变过程的可视化模拟.     

实时力反馈技术在手术仿真中的实现与应用

文章介绍了一种应用于手术仿真中的实时力反馈技术。主要讨论了其实现的步骤过程和系统仿真结构,分析了其采用的质点-弹簧-阻尼器物理仿真模型,并描述了手术仿真中虚拟手术器械挤压软组织模型的面弹力和在软组织表面上的粘滞摩擦力的实现原理和方法,同时,为手术仿真中实时力反馈的实现和应用提出了一种解决的方案。     

Energy balance method for modelling of soft tissue deformation

This paper presents a novel methodology for modelling of soft tissue deformation, from the standpoint of work–energy balance based on the law of conservation of energy. The work done by an external force is always balanced against the strain energy due to the internal force of the object. A position-based incremental approach is established, in which the work–energy balance is achieved via an iterative position increment process for the new equilibrium state of the object. The position-based incremental approach is further combined with non-rigid mechanics of motion to govern the dynamics of soft tissue deformation. The proposed method employs nonlinear geometric and material formulations to account for the nonlinear soft tissue deformation. Soft tissue material properties can be accommodated by specifying strain energy density functions. Integration with a haptic device is also achieved for soft tissue deformation with haptic feedback for surgical simulation. Experimental results demonstrate that the deformations by the proposed method are in good agreement with those by a commercial package of finite element analysis. Isotropic and anisotropic deformations, as well as soft tissue viscoelastic behaviours, can be accommodated by the proposed methodology via strain energy density functions.     

针穿刺软组织变形有限元仿真

为了提高机器人辅助针穿刺精度,提出一种对软组织变形分析的准静态有限元法.该方法基于针受力下软组织变形机理,将软组织变形的连续动态过程分解成离散的准静态过程;采用重叠单元法在ANSYS中建立了软组织变形的二维和三维准静态有限元模型,并进行了仿真实验.最后通过实验结果验证了该方法的有效性和可行性.     

一种基于逐次逼近法求解软组织力平衡的方法

进行腹腔微创手术操作时,为获得软组织变形的图形反馈,需要进行软组织的力平衡求解.建立了胆囊及其附属管路的几何模型,对其赋予弹簧一质点力学模型,提出了一种基于逐次逼近法的力平衡算法求解软组织力平衡.该算法编程量较少,易于实现,仿真实时性也较好.仿真实验表明,该算法可以产生较为真实的软组织图形反馈,可以实际应用于软组织仿真...     

A FEM-based direct method for material reconstruction inverse problem in soft tissue elastography

A novel finite element method (FEM) based direct method is developed for the material reconstruction inverse problem in soft tissue elastography. The solution is obtained by minimising an objective function, defined as the sum of the square of the residual norms at all nodes, where the nodal residual norm is defined as a linear function of elasticity parameters of the associated elements. The measured deformation is enforced directly and satisfying the equilibrium at every node is utilised as the optimisation objective. As a result, the soft tissue elastography can be obtained directly by solving the resulting set of linear equations.     

基于非线性力反馈模型的软组织变形仿真

虚拟手术仿真研究中反馈力一般采用线性模型,但软组织的反馈力往往呈现出非线性的特点.通过对软组织生物力学特性的分析,将非线性性质应用到软组织力反馈模型的研究.在保持原线性反馈力方向不变的前提下,加入非线性扰动,建立了反馈力的非线性模型,从而使反馈力更加真实.首先构建了人体肝脏物理模型,然后给出了非线性力反馈模型方程,并对人体肝脏物理模型变形和反馈力进行了仿真.为了减小计算量采用了整体刚度矩阵缩减算法.仿真结果表明该模型有较好的非线性和可调节性.     

具有力感觉的声带肿物切除仿真方法研究

在虚拟手术系统中，实时的图形显示和使操作者感觉到真实的操作力是非常重要的。该文介绍了在建立虚拟手术系统中，具有力感觉的声带肿物切除的仿真方法。首先介绍了软组织声带以及声带肿物的几何建模办法，考虑到虚拟手术中对实时性的要求，采用了分块建模的方法；然后通过对软组织生物力学特性的分析，利用弹簧-质量-阻尼模型对其建模。采用的算法减小了计算量，真实地仿真了声带肿物取出时声带的变形以及操作者感觉到的力。