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专利号: 2018108535046
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于磁性氧化模型的虚拟切割算法,其特征在于具体包括如下步骤:步骤1)建立基于无网格的弹性软组织控制方程;

步骤2)通过准线性黏弹性模型并入非线性粘弹性,得到如式(1)的应力应变行为的非线性描述;

其中,σ为应力,ε是应变张量,t表示某一时刻, 是考虑与应变相关的弹性非线性的函数,E(t-τ)为松弛函数,τ为一常数。

步骤3)加入磁性氧化模型的网格模型:在网格与手术刀接触面的背侧纳入铁单质;在与手术刀接触面实时产生网格模型,并在网格模型下检测切割条件产生切口;

步骤4)对所述网格模型进行实时状态检测,得到接触面上点的位移与实时点的位置图;

步骤5)实时对组织衰败部分进行适当的渲染渲染。

2.根据权利要求1所述的基于磁性氧化模型的虚拟切割算法,其特征在于所述步骤1)中当施加力时,用X=(x,y,z)T表示点的原始材料坐标,设定将所述点移动到新的位置X'=T(x',y',z') ,导致软组织变形。

3.根据权利要求2所述的基于磁性氧化模型的虚拟切割算法,其特征在于所述软组织变形的方式替换为通过位移场U=(u(x,y,z),v(x,y,z),w(x,y,z))实现软组织的变形,原始位置与变形得到的新位置之间的关系、相互间作用力的表示分别如式(2)、式(3):U=X'-X                             (2)其中,U为位移场,X'表示软组织变形得到的新位置,X表示软组织变形的原始位置,f为相互间的作用力,E为弹性系数, 是位移场的梯度。

4.根据权利要求2所述的基于磁性氧化模型的虚拟切割算法,其特征在于所述步骤2)中设定在t=t0的时刻一外力作用于软组织,引起瞬时应变,该应变用阶跃函数表示如式(4),ε(t)=H(t)ε0                          (4)其中,H(t)是单位阶跃函数,ε0表示在t0时刻的应变张量;

阶跃函数的导数是脉冲函数如式(5):

其中,δ(t)是单位脉冲函数;

根据解决奇异函数的卷积积分的策略,将t=t0分解为t=t0-和t=t0+,且当t≠t0时,脉冲函数为零,因此从0到t0-的脉冲函数的卷积积分为零,结合式(1)得到弹性模量的平衡值与瞬态模量,如式(6):其中, 为Prony系列的松弛函数,pi和τi是可以从实验数据中获得的两个系数;

设T的模拟时间被分成n个时间片,即 结合式(1),得到t+Δt时刻的等式如式(7):根据式(8)在非线性粘弹性软组织的任意点i上施加力,根据式(9)使用Leap Frog方案计算位移:

对材料给予系数后,得到非线性粘弹性软组织的应力应变响应,并使用时间增量算法计算基于前一次已知解的应力,作用在任意点上的力将从应力中获得;

最后,遵循牛顿的运动定律,建立软组织的运动控制方程。

5.根据权利要求1所述的基于磁性氧化模型的虚拟切割算法,其特征在于所述步骤3)所述网格模型中使用碰撞检测得到的点适应切割面,切割面的获取具体为:设定有n个碰撞点Pi(xi,yi,zi),设定Pi(xi,yi,zi)构成的切割面符合要求,如式(10):式(10)中定义 z=a0x+a1y+a2,A、B、C、D均为系数,且C≠0,满足Ax+By+Cz+D=0;

当 时,式(10)达到最小值,因此得到式(11)、式(12):求解式(12),得到系数a0,a1,a2,进而得到切割面。

6.根据权利要求1所述的基于磁性氧化模型的虚拟切割算法,其特征在于所述步骤4)中通过对刀的排斥力模拟生物软组织对手术刀的挤压力,通过铁生锈模拟生物组织受外界因素影响而引发的感染腐烂。

7.根据权利要求6所述的基于磁性氧化模型的虚拟切割算法,其特征在于通过式(13)、式(14)分别限定排斥力、组织萎缩所产生的形变力与质量的关系,F1=k1m1                               (13)F2=k2m2                              (14)其中,F1为当前铁单质对手术刀的排斥力,k1为由实验得出的常数,表示铁单质质量与产生的排斥力之间的线性关系,m1表示当前铁单质的质量;F2为组织萎缩所产生的形变力,k2为由实验得出的常数,表示三氧化二铁质量与萎缩力之间的线性关系,m2表示当前三氧化二铁的质量;

根据铁氧化的化学反应方程式得到铁单质的氧化还原反应随时间的转化率:α=f(t)                               (15)通过所述转化率,计算出铁单质与三氧化二铁的质量,并结合式(13)、式(14)、式(8)以及式(9)得到接触面上点的位移,得到实时点的位置图。