[发明专利]一种肺部虚拟手术变形模拟方法

说明书

本发明公开了一种肺部虚拟手术变形模拟方法，包括以下步骤：(1)虚拟肺部数据采集；(2)整理样本数据；(3)采用变步长四阶龙格库塔方法构建有限元软组织模型；(4)柔性体变形计算；(5)力反馈计算。本发明采用有限元模型对肺部进行三维物理建模，具有极高的仿真度和高精度；采用变步长四阶龙格库塔方法，在保证高精度的前提下节省了步长选择过程中的计算时间；采用最速下降法与牛顿迭代法相配合的方式，并配合GPU进行加速，在保证了高保真度、高精确度及高逼真度的基础上，弥补了最速下降法在极小点附近收敛速度差的问题，保证了对柔性体变形的快速计算，从而保证了手术的实时性，有效地权衡了手术的实时性和保真度。

技术领域

本发明涉及远程医疗技术，特别是一种肺部虚拟手术变形模拟方法。

背景技术

新型冠状病毒如今正疯狂肆虐全球，根据约翰霍普金斯大学汇编的数据，全球累计新冠肺炎确诊病例突破1亿人，美国仍然是疫情最严重的国家，因新冠肺炎去世的人数已经超过美国在一战、二战以及越南战争的阵亡人数总和，这已经出乎所有人的意料，并且据美国专家预测，死亡人数还会上升，至于何时才会停止，目前谁也无法知道。此外，该病毒的新变种引起了人们的深切关注，世界卫生组织表示，在很多国家中发现了英国变种新冠病毒毒株，这种被称为B117的变体新冠病毒最高可将传播性提升70％以上。这次疫情给许多国家带来了巨大的伤亡与损失，然而，除新型冠状病毒以外，还有很多病毒是具有传染性的，如狂犬病、猩红热、登革热、肺结核等，在对携带这些病毒的病人进行手术治疗过程中，医生时刻存在着被感染的风险。此外，由于各地医疗资源的分配不均衡，不同地区医疗器械的配置和医生的技术水平差别很大，使得一些疾病需要转到大城市才能治疗，给患者带来极大的不方便。面对以上种种亟待解决的问题，远程医疗的治疗方式脱颖而出。

实践证明，远程医疗可以解决对传染病的治疗及医疗资源分配不均衡的问题。在远程医疗所涉及的相关技术中，基于虚拟现实的手术变形模型是最为关键性的技术。然而，对于柔性体在手术过程中的变形模拟一直以来都是研究领域的一大难点。因此，通过对虚拟肺部变形模型现有的问题进行改进，对保护医护人员的生命安全及提高手术真实感、手术精确度、治疗成功率而言，是具有极其重要的研究意义的。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种精确快速的肺部虚拟手术变形模型。

技术方案：本发明所述的一种肺部虚拟手术变形模拟方法包括以下步骤：

(1)虚拟肺部数据采集；

(2)整理样本数据；

(3)采用变步长四阶龙格库塔方法构建有限元软组织模型；

(4)柔性体变形计算；

(5)力反馈计算。

所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)采用有限元模型对肺部进行三维物理建模；

(32)采用新型的变步长四阶龙格库塔方法求解模型中有关节点外力与位移的方程组，在利用基于龙格库塔法的有限元模型来表达肺部器官的变形仿真时，对四阶龙格库塔方法的步长选择问题进行改进可以极大地提高计算的效率及精确度，为尽快求出误差允许范围内的符合虚拟手术精度的步长，所述新型的变步长四阶龙格库塔方法如下：

y(x_i+1)-y_i+1(h)＝ch⁵

任取点x_i+1，式中的y(x_i+1)是实际函数值，以h为时间步长，y_i+1(h)是时间步长为h时的函数近似值，c是一个常数，ch⁵是以h为步长时候的单步截断误差；

y(x_i+1)-y_i+1(h/2)＝2c(h/2)⁵