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虚拟手术中基于Tensor-Mass的变形仿真技术 被引量：17
1
作者 贾世宇 潘振宽 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2008年第7期1686-1690,共5页
详细论述并实现了虚拟手术中软组织变形仿真技术。虚拟软组织由四面体网格构成,生物力学模型使用Tensor-Mass模型。推导了一种半隐式数值积分算法用以求解软组织变形的动力学方程。该方法比传统的显式积分算法更稳定,并可将积分时间步... 详细论述并实现了虚拟手术中软组织变形仿真技术。虚拟软组织由四面体网格构成,生物力学模型使用Tensor-Mass模型。推导了一种半隐式数值积分算法用以求解软组织变形的动力学方程。该方法比传统的显式积分算法更稳定,并可将积分时间步长提高一个数量级。使用了基于拓扑距离的方法进一步减少数值积分算法的计算量。最后给出使用肝脏模型进行变形仿真的结果。 展开更多
关键词 虚拟手术 手术仿真 软组织变形 生物力学模型 Tensor-Mass模型 半隐式数值积分法 拓扑距离
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软组织建模中的有限元模型 被引量：12
2
作者 孙艳霞 鲍旭东 蒋春涛 《生物医学工程研究》 2004年第3期137-140,共4页
用求解弹性力学问题的经典方法—有限元方法进行物理建模 ,并根据人体软组织的生物力学特性 ,对有限元模型进行修改。实验结果表明
关键词 形变模型 软组织模拟 有限元模型 不可压缩性 稳定性 生物力学
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虚拟手术中软组织形变建模及力反馈算法研究 被引量：13
3
作者 陈卫东 赵成龙 +1 位作者 朱奇光 关永贞 《中国生物医学工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2013年第1期114-118,123,共6页
基于弹簧-质点模型,建立一种改进的软组织实时形变模型。在正六边形拓扑结构软组织表面模型中,增加了虚拟体弹簧,以实现更加真实的形变效果。在系统中各质点处,表面弹簧形变量的叠加等效为物体表面形变,各质点处虚拟弹簧弹性力的合力等... 基于弹簧-质点模型,建立一种改进的软组织实时形变模型。在正六边形拓扑结构软组织表面模型中,增加了虚拟体弹簧,以实现更加真实的形变效果。在系统中各质点处,表面弹簧形变量的叠加等效为物体表面形变,各质点处虚拟弹簧弹性力的合力等效为物体表面的接触力。该模型继承了经典弹簧质点模型的原理简单、易建模、计算速度快等优点,同时还具有控制变形区域的能力。基于此模型,利用PHANTOM触觉交互设备,进行了软组织形变以及实时虚拟力反馈仿真实验。实验表明,该模型效果逼真,反馈力刷新一次小于1 ms,能够满足虚拟手术系统实时性的要求。 展开更多
关键词 虚拟现实 弹簧-质点模型 软组织形变 力反馈
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实时交互式软组织切割与变形计算模型 被引量：11
4
作者 吴雯 陈辉 王平安 《计算机辅助设计与图形学学报》 EI CSCD 北大核心 2010年第2期185-190,共6页
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... 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. 展开更多
关键词 手术模拟 软组织变形 有限元模型 GPU
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基于改进弹簧-质点模型的形变建模及力反馈算法研究 被引量：9
5
作者 陈卫东 陈攀攀 朱奇光 《生物医学工程学杂志》 EI CAS CSCD 北大核心 2015年第5期989-996,共8页
基于弹簧-质点模型的基础上提出一种新的可变菱形拓扑结构模型,通过改变菱形边弹簧的长度及弹簧系数、初始夹角,可实现该模型对不同器官的形变模拟。此外在模型中加入虚拟弹簧提供约束力,避免外力过大出现超弹性现象,并用于形变过程中... 基于弹簧-质点模型的基础上提出一种新的可变菱形拓扑结构模型,通过改变菱形边弹簧的长度及弹簧系数、初始夹角,可实现该模型对不同器官的形变模拟。此外在模型中加入虚拟弹簧提供约束力,避免外力过大出现超弹性现象,并用于形变过程中反馈力的计算。在力反馈形变算法中,筛选有效的移动质点,并把这些移动质点形成区域面积的改变与作用力联系起来,计算量小,从而简化了传统的弹簧-质点模型的力反馈算法。基于此模型采用PHANTOM触觉交互设备进行受力形变模拟实验。实验结果表明,该模型结构简单易于实现,采用的力反馈形变算法,降低了形变计算的次数,提高了形变的实时性,具有更逼真的形变效果。 展开更多
关键词 软组织形变 力反馈形变算法 弹簧-质点模型 菱形结构 虚拟弹簧
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一种支持触觉反馈的膜组织变形仿真方法 被引量：3
6
作者 鲍春波 王博亮 戴培山 《系统仿真学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第15期3463-3467,共5页
针对一类面模型的软组织变形触觉仿真问题,提出了一种基于半边数据结构和AABBs(Aligned Axis Bounding Boxes)树结构混合的碰撞检测响应方法,命名为层次半边观察法,以适应触觉反馈计算的高帧率要求。触觉反馈仿真了膜组织的粘弹性力和... 针对一类面模型的软组织变形触觉仿真问题,提出了一种基于半边数据结构和AABBs(Aligned Axis Bounding Boxes)树结构混合的碰撞检测响应方法,命名为层次半边观察法,以适应触觉反馈计算的高帧率要求。触觉反馈仿真了膜组织的粘弹性力和粘滞性摩擦效果。粘滞性摩擦由修改的滞滑摩擦模型实现。膜组织的变形基于简单的质点弹簧模型建模。实验表明,提出的方法与单一的使用AABBs树结构方法相比,具有较高效率。记录的力反馈曲线清晰的反映了膜组织的粘滞性摩擦特征。该方法将是建立白内障虚拟手术仿真器的基础。 展开更多
关键词 软组织变形 碰撞检测 半边结构 粘滞摩擦 触觉反馈
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基于肝脏力模型的机器人辅助进针策略 被引量：9
7
作者 孙银山 吴冬梅 +1 位作者 杜志江 孙立宁 《机器人》 EI CSCD 北大核心 2011年第1期66-70,共5页
针对机器人辅助穿刺手术中软组织形变引起的安全性和准确性问题,基于猪肝进针力模型,在分析猪肝组织结构和力学特性的基础上提出了机器人辅助进针策略.它主要包括两点:一是在穿刺针进入肝脏瞬间,机器人自动停止进针,待软组织松弛片刻后... 针对机器人辅助穿刺手术中软组织形变引起的安全性和准确性问题,基于猪肝进针力模型,在分析猪肝组织结构和力学特性的基础上提出了机器人辅助进针策略.它主要包括两点:一是在穿刺针进入肝脏瞬间,机器人自动停止进针,待软组织松弛片刻后,再以减半速度继续进针,以尽可能减小软组织形变对穿刺精度的影响,提高手术准确性.二是在穿刺针进入肝脏后,如果进针力超出猪肝力模型中的"临界线",机器人立即停止进针,待排除异常后再继续进针,以防进针过程中发生意外,提高手术安全性.实验结果验证了本文进针策略的有效性. 展开更多
关键词 机器人辅助经皮穿刺手术 进针策略 进针力模型 软组织形变 进针机器人
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针穿刺软组织变形有限元仿真 被引量：8
8
作者 高德东 高宜朋 郑浩峻 《计算机辅助设计与图形学学报》 EI CSCD 北大核心 2009年第11期1601-1605,共5页
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... 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. 展开更多
关键词 针穿刺 软组织变形 准静态有限元法 动态仿真
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用于机器人辅助穿刺手术进针策略研究的猪肝进针力建模 被引量：7
9
作者 孙银山 吴冬梅 +1 位作者 杜志江 孙立宁 《高技术通讯》 CAS CSCD 北大核心 2011年第9期948-953,共6页
为研究机器人辅助肝脏穿刺手术中的进针策略以确保手术安全，基于实验数据建立了猪肝的进针力模型。方法如下：在2个新鲜离体猪肝3个不同区域内共采集了18条进针力曲线数据，根据针尖位置及进针力特征将力曲线划分为“被膜刺破前”、“... 为研究机器人辅助肝脏穿刺手术中的进针策略以确保手术安全，基于实验数据建立了猪肝的进针力模型。方法如下：在2个新鲜离体猪肝3个不同区域内共采集了18条进针力曲线数据，根据针尖位置及进针力特征将力曲线划分为“被膜刺破前”、“进入肝脏前”和“进入肝脏后”3个阶段，然后采用已有的力模型分别进行每一阶段的进针力建模，通过对比各阶段的建模效果，确定最优的各阶段进针力模型，最后组合成完整的进针力模型。最终的进针力模型比较表明，相同个体不同区域的力模型差异较小，可以用一个力模型来表示该个体进针力特征，不同个体的进针力特征能否用一个力模型表示还需进一步验证。猪肝进针力模型的建立，可为实现机器人辅助人体肝脏穿刺手术中的进针控制和手术安全提供重要依据。 展开更多
关键词 机器人辅助穿刺手术 进针力 力建模 软组织形变 进针机器人
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基于质点—弹簧体模型与改进欧拉算法的力反馈 被引量：7
10
作者 刘雪梅 王瑞艺 郭松 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2013年第9期2234-2238,共5页
基于SensAble公司的PHANTOM力反馈设备,以肝脏组织为对象,对虚拟手术仿真中软组织的形变和触觉反馈进行研究。考虑虚拟手术仿真对精度和实时性的要求,采用基于四面体的质点—弹簧体模型构建肝脏组织物理模型,较好地反映了肝脏形变的体特... 基于SensAble公司的PHANTOM力反馈设备,以肝脏组织为对象,对虚拟手术仿真中软组织的形变和触觉反馈进行研究。考虑虚拟手术仿真对精度和实时性的要求,采用基于四面体的质点—弹簧体模型构建肝脏组织物理模型,较好地反映了肝脏形变的体特征,增加了模拟的真实感;传统的模型中通常采用线弹性弹簧,但考虑到软组织形变时的黏弹特性,采用弹簧和阻尼器并联的Kelvin黏弹性力学模型模拟肝脏组织的生物力学特征,力图提高形变仿真的准确性。由于光滑的触觉反馈对实时性有更高要求,为进一步提高计算效率,提出一种改进的欧拉算法,仿真结果表明,帧速大于1000HZ,满足虚拟手术实时性需要。 展开更多
关键词 软组织形变 质点-弹簧体模型 改进的欧拉算法 力反馈
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人体腹腔器官的三维重建与形变切割仿真
11
作者 李嘉冰 贾世宇 《青岛大学学报（自然科学版）》 CAS 2024年第3期49-54,共6页
通过将传统面模型转换为体模型的方法,实现了包含肝脏、胃、结肠和胆囊等多个器官的人体腹腔结构的形变、切割与碰撞仿真。首先,以生理学腹腔解剖结构为依据对腹腔内各器官进行三维模型重建;然后,根据腹腔内各器官的生理位置和悬挂方式... 通过将传统面模型转换为体模型的方法,实现了包含肝脏、胃、结肠和胆囊等多个器官的人体腹腔结构的形变、切割与碰撞仿真。首先,以生理学腹腔解剖结构为依据对腹腔内各器官进行三维模型重建;然后,根据腹腔内各器官的生理位置和悬挂方式确定三维模型之间的相对位置,并设置合理的边界约束条件,将三维模型转换为基于体素的体模型;最后对体模型赋予生物力学性质并进行仿真。实验结果表明,该方法能够在保证仿真帧数较稳定的同时产生真实合理的形变、切割和碰撞仿真效果,并且在包含多个器官的情况下依然可以满足视觉实时性要求。 展开更多
关键词 人体腹腔解剖 三维模型重建 虚拟手术仿真 软组织形变 软组织切割
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基于质点弹簧模型和骨架球模型的虚拟肾脏建模
12
作者 李昊哲 朱玲 李艳东 《齐齐哈尔大学学报（自然科学版）》 2024年第1期21-26,共6页
针对软组织建模中的几何剖分、物理建模和数值解算方法选择等关键问题,在软组织的几何剖分中采用德劳内法,提出了质点-弹簧模型和骨架球模型相结合的方法,解决了单一质点-弹簧模型形变仿真效果不佳问题。通过对比各数值分析方法选择改... 针对软组织建模中的几何剖分、物理建模和数值解算方法选择等关键问题,在软组织的几何剖分中采用德劳内法,提出了质点-弹簧模型和骨架球模型相结合的方法,解决了单一质点-弹簧模型形变仿真效果不佳问题。通过对比各数值分析方法选择改进显示欧拉法完成对虚拟肾脏物理模型运动学方程的数值求解,并提出对于虚拟软组织模型运动形变区域的确定与限定方法,提升了虚拟手术系统的图像刷新率与力反馈刷新率。 展开更多
关键词 软组织建模 质点-弹簧模型 骨架球模型 改进欧拉法 形变区域
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肺穿刺活检手术的术前演练系统研究
13
作者 张玉萍 仲建全 +1 位作者 张劲 何凌 《计算机仿真》 2024年第1期372-379,共8页
为解决CT引导下经皮肺穿刺活检(Percutaneous CT-guided Needle Biopsy,PCNB)对操作者要求高、术后并发症风险高等问题,设计了一个肺穿刺活检手术的术前演练系统。首先根据8位肺肿块患者CT图像分割出胸部重要器官,并基于分割结果建立病... 为解决CT引导下经皮肺穿刺活检(Percutaneous CT-guided Needle Biopsy,PCNB)对操作者要求高、术后并发症风险高等问题,设计了一个肺穿刺活检手术的术前演练系统。首先根据8位肺肿块患者CT图像分割出胸部重要器官,并基于分割结果建立病人各异的三维模型。在此基础上采用基于网格形变的方法实现穿刺过程中肺部软组织的形变模拟,并以Geomagic Touch X为基础,搭建了带有触觉反馈的肺穿刺活检术前演练环境。临床医生在行肺穿刺前使用本系统对这8位患者进行肺穿刺演练,探索合适的穿刺路径。将术前演练结果与临床实际穿刺结果对比发现两者有较好的一致性。主观问卷调查结果表明系统具有较高的真实性和易操作性。系统可用于医生进行术前演练,辅助确定合适的手术方案,提高穿刺效率和手术成功率。 展开更多
关键词 肺穿刺 手术仿真 软组织形变 力反馈 人机交互接口
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虚拟手术中软组织形变仿真研究综述 被引量：5
14
作者 郭煜 秦璟 《集成技术》 2013年第2期52-61,共10页
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... 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。 展开更多
关键词 虚拟手术 软组织形变 弹簧-质点模型 有限元方法 无网格模型
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质量-弹簧模型的两种快速算法 被引量：3
15
作者 蒋春涛 鲍旭东 郭宏宇 《中国医疗器械杂志》 CAS 2004年第2期102-104,108,共4页
介绍质量-弹簧模型的准静态模拟和直接计算两种快速算法。准静态模拟假设物体在形变过程中总处于静态平衡;直接计算方法是计算最小化系统势能的最优解,同时也考虑了组织的不可压缩性。实验结果表明,与常规数值迭代算法相比,这两种算法... 介绍质量-弹簧模型的准静态模拟和直接计算两种快速算法。准静态模拟假设物体在形变过程中总处于静态平衡;直接计算方法是计算最小化系统势能的最优解,同时也考虑了组织的不可压缩性。实验结果表明,与常规数值迭代算法相比,这两种算法的运算速度快而且鲁棒性好。 展开更多
关键词 质量-弹簧模型 准静态模拟 直接计算法 医学模拟 生物力学
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虚拟软组织针刺与力觉交互 被引量：5
16
作者 高瞻 潘飞 +2 位作者 王杰华 潘海燕 蒋峥峥 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2015年第10期2453-2459,共7页
对人体软组织进行针刺/穿刺是临床医学普遍使用的诊疗手段,对医者的操作水平要求较高,因此亟需逼真、有效的训练模式。解决方案之一是采用虚拟现实技术来提供针刺训练。针刺过程中软组织的变形仿真和穿刺针与软组织互相作用导致的力觉交... 对人体软组织进行针刺/穿刺是临床医学普遍使用的诊疗手段,对医者的操作水平要求较高,因此亟需逼真、有效的训练模式。解决方案之一是采用虚拟现实技术来提供针刺训练。针刺过程中软组织的变形仿真和穿刺针与软组织互相作用导致的力觉交互,是实现虚拟针刺训练平台的关键问题。为了解决此难题,我们研究了针刺过程的力学模型,采用线性有限元模型实现了软组织的变形仿真,基于线性插值来计算摩擦力,构建了穿刺针和软组织的粘滑运动模型,较好的反映了软组织针刺过程中的物理现象和特性,并实现了软组织针刺的力觉交互。实验结果表明,仿真过程和力觉交互能够较为真实地体现软组织针刺过程。 展开更多
关键词 虚拟现实 软组织 针刺 力觉交互 变形仿真
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腹腔镜手术中软组织按压仿真 被引量：5
17
作者 张小瑞 段佳骊 +2 位作者 孙伟 朱利丰 宋爱国 《电子测量与仪器学报》 CSCD 北大核心 2018年第7期21-28,共8页
精确可靠的软组织变形模型对虚拟手术至关重要,针对现有模型的不足,提出了一种等节距圆锥形螺旋弹簧模型,模拟对腹腔镜手术中软组织的按压。该模型吸收了弹簧-质点模型计算快速的优点,通过变形截止层控制变形范围,提升模型的稳定性和精... 精确可靠的软组织变形模型对虚拟手术至关重要,针对现有模型的不足,提出了一种等节距圆锥形螺旋弹簧模型,模拟对腹腔镜手术中软组织的按压。该模型吸收了弹簧-质点模型计算快速的优点,通过变形截止层控制变形范围,提升模型的稳定性和精确度。为验证模型各方面性能,首先分别与有限元模型和真实软组织对比变形效果,然后记录力反馈输出与变形响应时间并与弹簧-质点模型比较,最后邀请受试者评分。实验结果表明,模型变形精度高,变形与力反馈输出响应时间均在20ms以下,且普遍低于弹簧-质点模型响应时间。在评分实验中本模型所模拟的3种软组织各指标均分分别为9.2、9.0和9.0,普遍高于其他模型均分。 展开更多
关键词 虚拟手术 软组织建模 力触觉反馈 变形仿真 腹腔镜手术
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虚拟手术系统中的软组织切割模拟 被引量：2
18
作者 王超洪 罗立民 《生物医学工程研究》 2008年第1期36-39,共4页
本研究提出了一个基于有限元形变计算的利用最小子集法进行切割模拟的优化方法,该方法解决了切割过程中刚度矩阵不断扩充更新对形变计算带来的影响,便于进行切割模拟。实验结果表明,该方法能够有效地动态模拟软组织的整个切割过程。
关键词 虚拟手术系统 四面体切割 软组织切割模拟 有限元 软组织形变 最小子集法
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一种用于实时软组织变形仿真的有限元模型 被引量：4
19
作者 陈帅 郑津津 《工业控制计算机》 2015年第7期117-118,共2页
软组织模型的变形计算是虚拟手术中的一个重要组成部分,尽管大量的研究一直致力于模拟软组织的形变,软组织变形的建模仍然是一个具有挑战性的问题。从仿真实时性的角度,提出了一种基于混合有限元模型的软组织模型解决方案。实验仿真表... 软组织模型的变形计算是虚拟手术中的一个重要组成部分,尽管大量的研究一直致力于模拟软组织的形变,软组织变形的建模仍然是一个具有挑战性的问题。从仿真实时性的角度,提出了一种基于混合有限元模型的软组织模型解决方案。实验仿真表明该方案提高了计算效率,节省了大量内存,实验仿真表明达到了实时性仿真水平。 展开更多
关键词 虚拟手术 软组织变形 有限元模型 四面体单元
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质点弹簧模型在牙龈软组织形变仿真上的改进与应用 被引量：4
20
作者 马天 李娇娇 +1 位作者 李占利 李远成 《计算机辅助设计与图形学学报》 EI CSCD 北大核心 2020年第2期325-333,共9页
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... 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. 展开更多
关键词 质点弹簧模型 软组织变形 超弹性 牙齿矫正
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