用于三维软组织实时切割的混合凝聚有限元模型

随着近几年来微创外科的迅速发展，虚拟内窥镜手术模拟系统作为手术训练、规划的有效手段，已逐渐成为研究的热点。根据实际手术的需要，虚拟手术系统应该不仅能够实时模拟软组织的变形，而且也同样可以对软组织的切割、缝合操作进行实时模拟。该文提出了一个用于虚拟手术模拟、三维软组织变形以及切割的有限元模型－混合凝聚有限元模型。该模型的显著优点在于其可以在当前的PC机平台上有效地对软组织变形及具有拓扑改变的切割操作进行实时模拟。     

实时交互式软组织切割与变形计算模型

为提高虚拟手术模拟的交互性与实时性,提出一种软组织实时切割与变形计算模型.该模型以混合有限元模型为基础,根据手术过程中不同区域的交互特点,利用GPU加速手术区域的切割与变形计算;同时,对非手术区域的软组织因交互而引起的实时变形可通过选择性相乘的方法快速实现.实验结果充分证明,该计算模型可以灵活有效地实现实时软组织的交互切割与变形模拟.     

一种用于软组织变形仿真的支撑球弹簧模型

基于经典的质点弹簧模型原理,提出一种用于软组织变形仿真的物理模型——支撑球弹簧模型。定义一系列具有质量、惯性以及体积特征的六自由度弹性支撑球,贴近软组织面模型下表面排布,支撑球之间由弹簧连接,共同构成软组织的支撑骨架来控制软组织的整体变形。软组织面模型的网格节点通过独立的弹簧与支撑骨架相连,当支撑骨架发生变形时将带动整个软组织发生变形。将此模型运用到角膜变形仿真中,获得了快速、稳定的变形效果,可进一步用于角膜虚拟手术。理论与实践均表明,该模型简单实用,效果良好。     

一种新的基于体元剖分的软组织切割算法

切割是虚拟手术系统中需要表现的真实动作之一,真实感和实时性是衡量切割效果的关键.因此有必要研究一种新的基于体元剖分的软组织切割算法.该算法不同于以往的体元剖分算法,它将整个剖分过程分两步来完成：首先通过退化处理过程将不完全切割的四面体单元分解成多个完全切割的四面体单元;然后将切割情况进行分类,根据不同的切割情况分别进行相应的基元分解.实验表明,研究的新算法用于四面体单元的有限元模型,具有良好的切割处理效果.     

用于软组织变形仿真的层状菱形链连接模型

为提高软组织变形仿真的精度与实时性,提出一种新颖的、基于物理意义的层状菱形链连接模型.该模型中每层各个链结构单元相对位移的叠加对外等效为物体表面的变形,与之相连的弹簧弹性力的合力等效为物体表面接触力.利用6-DOFDelta手控器构建了力触觉交互实验系统,使用虚拟软组织模型进行按压、拉拽等交互操作,并通过反馈力产生触觉感.实验结果表明,该模型不仅计算简单,而且能够保证触觉接触力和变形计算具有较高精度;同时在交互过程中,力触觉感觉平稳、模拟效果逼真、满足虚拟现实系统对精细作业和实时性的要求.     

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.     

人体软组织建模与实时仿真

虚拟手术系统在医学中实时仿真以建立可供手术前规划和手术时参考的虚拟环境。由于人体器官大多由软组织构成,有限元法能够精确地进行软组织几何大变形仿真。加速有限元仿真有多种方法,文章采用基于模态分析的模型约简方法,对软组织有限元模型进行模态分析,将约简子空间中的形变向量重构到原始空间,从而实现软组织实时仿真。实验结果表明,采用模型约简方法能够在仿真效率和真实性之间取得较好的平衡。     

虚拟手术实时物体碰撞检测和软组织变形研究

针对虚拟手术系统中实时碰撞检测和软组织变形的问题进行了研究。对于实时碰撞检测,使用了包围盒检测结合三角面片检测的方法来检测物体之间的碰撞,并且找到相互碰撞的两个三角面片。对于软组织变形,使用了一种基于胡克定律的弹簧质点模型来虚拟仿真变形,并提供了控制点移动的方法。采用优化虚拟手术中的物体碰撞检测方法,减少了不必要的计算和增强了系统的精确度;简化了软组织变形的算法,相对加快了有限元模型运算速度。对推动虚拟手术的发展具有积极的意义和作用。     

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。     

虚拟手术中软组织形变仿真研究综述

软组织结构是一种非线性、各项异性、近似不可压缩的粘弹性材料体,而软组织变形仿真是虚拟手术系统中最重要的研究方向之一,同时也是难点之一。本文首先对虚拟手术做了大致的介绍,然后重点分析和总结了软组织形变的各种方法,从几何方法到物理方法,从网格模型到无网格模型,并列举了最近几年的研究情况。其中对目前比较流行的有限元方法做了较为详细的说明。最后对未来发展方向进行了展望和总结。     

基于图像形态学的软组织变形测量方法研究

为了准确测量针穿刺过程中的软组织变形,提出了一种基于图像形态学的软组织形 变测量方法。阐述了边缘检测、图像膨胀和腐蚀等算法,获取组织内标识物增强图像。提取标识 物重心位移,并存入测量矩阵M 中。搭建了包括精密运动装置、工业相机、光源和嵌入标识物的 水凝胶假体等组成的组织形变测量平台。实时采集了穿刺过程图像,并利用形态学算法测量了组 织内标识物的位移。经误差补偿后,组织形变测量误差小于0.7 mm。该方法可提高机器人辅助针 穿刺手术精度。     

虚拟肩关节镜手术中软组织形变的模拟

为实现虚拟肩关节镜手术中软组织的形变模拟,提出一种改进的质点-弹簧模型.通过自适应采样及K阶最邻近节点快速查询算法,建立表面质点密度高而中心质点密度低的拓扑结构模型,在传统质点-弹簧形变模型的基础上,增加防止弹簧翻转的复原力,采用计算统一设备构架实现图形处理器的加速.模拟结果表明,该模型能够实现较真实的形变模拟.     

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.     

一种基于弹簧振子模型的颅面软组织仿真算法

软组织仿真研究是利用计算机技术对真实软组织进行模拟以便研究,为医学工作者提供辅助和帮助科研工作者更好地进行虚拟手术。这方面的研究在国外已经较为普及,在国内尚处于起步阶段。软组织仿真算法已有多种成熟模型,其中较为代表性的有弹簧振子模型（MSS）和有限元模型（FEM）。在参阅了前人的研究基础上,选取了弹簧振子模型作为软组织仿真的物理形变模型,并对仿真算法进行编码和仿真实验,进而对实验效果进行分析,并提出改进之处。实验发现基于弹簧振子模型的软组织较好地实现了形变仿真的效果。     

基于局部动态模型的软组织形变建模与仿真

选择人体软组织模型作为研究对象,针对医学触诊训练的特点,提出了可变区域的局部质点-弹簧/阻尼器(ALMSDM)模型.该模型具有位置可变及区域可扩展的动态特性,改善了以往文献中局部建模方法静态限定的局限,解决了全局“面模型”形变恢复能力差及数据量大的问题.结合ALMSDM的特点,提出了顶点法向量局部更新与预计算策略,从而极大地提高了系统的实时性.从形变恢复能力、反馈力及实时性3方面对不同模型下的系统性能进行了评价,结果显示所提算法能够保证虚拟软组织形变仿真的精确性与实时性,具有可行性与通用性.