基于有限元分析和質(zhì)點彈簧模型的軟組織形變仿真研究.pdf

1、虛擬醫(yī)學手術仿真是一項結(jié)合了材料力學、醫(yī)學、計算機視覺、計算機圖形學等多領域知識的技術。其目的是構(gòu)建虛擬人體組織模型，通過人機交互技術和計算機視覺技術準確模擬手術過程中手術器械與組織器官交互作用。虛擬組織或器官模型是虛擬手術仿真的主要研究對象，其建模的準確性直接影響虛擬手術仿真系統(tǒng)的整體性能。因此建立精確軟組織模型已成為虛擬手術仿真技術中的核心內(nèi)容之一。本文對組織建模方法進行了深入研究。
　　在軟組織建模方法的選擇上，比較兩種常用

2、的軟組織物理建模方法：有限元模型和質(zhì)點彈簧模型。把Kelvin質(zhì)點彈簧模型與類似的桿單元模型進行力學分析，建立質(zhì)點彈簧模型的靜態(tài)彈簧參數(shù)與軟組織材料參數(shù)及單元幾何參數(shù)間的函數(shù)關系，為彈簧彈性系數(shù)的設定提供一定的理論依據(jù)。
　　在軟組織參數(shù)的動態(tài)設定上，對軟組織材料的應力與應變關系進行分析。由于應力-應變曲線呈階段性變化，對曲線進行分段分析，獲得質(zhì)點彈簧模型中彈簧參數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律，即小形變時，應力與應變呈線性關系，當形變量增大到一

3、定值時，應力-應變曲線將呈指數(shù)變化。
　　在軟組織正交各向異性特性分析上，對豬腎臟組織進行軸向和徑向壓縮實驗，根據(jù)實驗采集到的載荷-位移數(shù)據(jù)，獲得腎臟組織軸向及徑向的應力-應變曲線，驗證了其分段變化特征。通過線性擬合和指數(shù)擬合，獲得腎臟組織軸向及徑向應力-應變曲線的參數(shù)。根據(jù)質(zhì)點彈簧模型參數(shù)與軟組織材料參數(shù)的關系，建立了彈簧力與彈簧方向的函數(shù)關系，即彈簧力和彈簧偏離軟組織軸向角度的關系。
　　最后，在醫(yī)學仿真平臺SOFA上完