[发明专利]一种基于无网格径向基数据拟合的软组织受力形变模型建模方法

摘要

一种基于无网格径向基数据拟合的软组织受力形变模型建模方法。针对现有生物软组织物理形变模型结构复杂、实时性不佳等缺陷，考虑生物软组织各向异性特征，以力为数据流，由径向基无网格法离线获得以软组织受力点为中心，面上有限个等间距点受力位移数据，使用麦夸特法构建软组织表面节点力‑位移曲面形变模型。该模型结合几何形变模型及物理形变模型特点，在保留形变模型物理性特性真实性的同时，大大简化了计算过程，保证了交互的高实时性，实现虚拟手术中生物软组织形变模型与操作者准确实时交互。

主权项

1.一种基于无网格径向基数据拟合的软组织受力形变模型建模方法，其特征在于包括以下步骤：生物软组织受空间力F作用后表面形变有如下曲面系统：其中v_o为软组织未受力时表面各节点基准坐标，Δv_x、Δv_y、Δv_z分别为空间力F沿空间直角坐标系分量F_x、F_y、F_z作用下的软组织表面曲面形变分量，为随机误差项；步骤(1)围绕受力点O建立软组织表面m个等间距d奇数节点矩阵，取软组织表面基准坐标v_o；步骤(2)以垂直水平面Z轴方向施力F_z，由径向基无网格法获得力与软组织表面各节点形变数据，采样当前输入输出数据；获取L组软组织数据：F_zi→(Δx_i,Δy_i,Δz_i)_j，i∈{1,2,…,L}，j∈{1,2,…,m}；步骤(3)麦夸特算法拟合力F_z与Δz_n函数关系；选取中间节点即受力点偏移量：ΔO＝(Δx_i,Δy_i,Δz_i)_n，n＝(1+m)/2，i∈{1,2,…,L}；获得L组软组织力与形变数据，由于施力方向垂直水平面受力点水平方向，Δx_ni、Δy_ni偏移为0，只存在Z轴方向偏移Δz_ni；因此基于麦夸特算法建立数据流Δz_n与力F_z的位移与力关系：Δz_n＝g_z(F_z)；步骤(4)通过步骤(3)获得L组中间节点形变Δz_ni对应软组织表面曲面各节点偏移量(Δx_i,Δy_i,Δz_i)_j数据：Δz_ni→(Δx_i,Δy_i,Δz_i)_j，i∈{1,2,…,L}，j∈{1,2,…,m}，利用麦夸特算法拟合当受力节点偏移量为Δz_ni时对应曲面形变函数：Δv_zi＝γ_zi(x,y；p_i),i∈{1,2,…,L}获得受力节点偏移量为Δz_ni时对应曲面形变函数参数p_i：Δz_ni→p_i，i∈{1,2,…,L}；步骤(5)由L组受力节点偏移量Δz_n对应曲面形变函数参数p数据，基于麦夸特算法拟合受力节点偏移量Δz_n与曲面形变函数参数p的对应关系：p＝ρ_z(Δz_n)步骤(6)以平行X轴方向向O点施力F_x，由径向基无网格法获得力与软组织表面各节点形变数据，采样当前输入输出数据；获取L组软组织数据；同理步骤(3)、(4)、(5)，可获得O节点施力F_x下：Δx_n＝g_x(F_x)；Δv_x＝γ_x(x,y；p)，p＝ρ_x(Δx_n)；步骤(7)以平行Y轴方向向O点施力F_y，由径向基无网格法获得力与软组织表面各节点形变数据，采样当前输入输出数据；获取L组软组织数据；同理步骤(3)、(4)、(5)，可获得O节点施力F_y下：Δy_n＝g_y(F_y)；Δυ_y＝γ_y(x,y；p)，p＝ρ_y(Δy_n)；步骤(8)F_x、F_y、F_z合成空间力F，可得当空间力F作用于O点时有软组织表面形变Δv_x、Δv_y、Δv_z，则有软组织形变函数：步骤(9)力反馈对步骤(2)、步骤(6)和步骤(8)获得的受力节点O位移与施力F函数：Δx_n＝g_x(F_x)、Δy_n＝g_y(F_y)、Δz_n＝g_z(F_z)取反可得各实力分量与受力节点O位移函数：从而可得力反馈