1.一种软组织局部压缩形变模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)采集软组织的医学图像数据,通过四面体网格生成方法将软组织的医学图像数据处理为三维四面体网格模型;
(2)构造四面体质点‑弹簧模型并建立与质点‑弹簧模型对应的运动学方程;所述的四面体质点‑弹簧模型,是将三维四面体网格中四面体的四个顶点作为质点,质点之间由弹簧连接;
(3)利用模拟退火算法优化质点‑弹簧模型中的弹簧刚度和阻尼系数,包括以下过程:(3.1)给定初始温度、终止温度和退火系数,随机初始化一组参数S=(kij,dij)进行循环计算,其中kij和dij分别为弹簧刚度系数和阻尼系数;
(3.2)在温度Tn下,在当前参数S的邻域内随机产生新的一组参数S′,计算目标函数值增量Δf=f(S′)‑f(S),若Δf<0则令S=S′,反之根据Metropolis准测,以min{1,exp(‑Δf/Tn)}>random[0,1]的概率接受S′作为当前较优的一组参数S,其中目标函数定义为用于图像匹配的Hausdorff距离函数:MSM FEM MSM FEM FEM MSMf(S)=f(kij,dij)=H(N ,N )=max{h(N ,N ),h(N ,N )}MSM FEM
其中N 、N 、pm、pf、d(pm,pf)分别表示质点‑弹簧模型关键点集合、有限元模型关键点集合、质点‑弹簧模型关键点位置、有限元模型关键点位置、点pm和pf之间的绝对距离;
(3.3)判断在温度Tn下是否达到规定的迭代次数,若满足条件则转到步骤(3.4),否则返回步骤(3.2);
(3.4)进行降温操作,对温度迭代,Tn+1=λTn,其中n为迭代次数,λ为退火系数;
(3.5)判断是否达到设定的终止温度,若满足终止条件则输出一组最优参数S=(kij,dij),否则返回步骤(3.2);
(4)将软组织压缩变形划分为局部变形区和非变形区;
(5)利用Verlet显式积分法对局部变形区的点进行运动学方程求解,获得在压力作用下软组织的压缩形变;
(6)设定过度压缩约束条件,对不满足过度压缩约束条件的质点进行校正。
2.根据权利要求1所述的软组织局部压缩形变模拟方法,其特征在于,步骤(2)中所述的与质点‑弹簧模型对应的运动学方程为:int vol
其中mi表示质点i的质量,xi表示质点的位移,t表示时间,Fi 表示质点i所受内力,Fiext表示质点i所受体积力,Fi 表示质点i所受外力;
int
质点i所受内力Fi 为:
其中,任意质点i及其任意一个邻点j的位置分别为pi和pj,连接两质点间的弹簧刚度系数和阻尼系数分别为kij和dij,表示弹簧初始长度,Si表示为所有连接到质点i的弹簧集合,vj和vi分别表示质点j和i的速度;
vol
质点i所受体积力Fi 为
其中,pwb表示四面体w的重心,Ωi表示所有包含质点i的四面体集合, 和 分别表示四面体w当前的体积和初始体积。
3.根据权利要求1所述的软组织局部压缩形变模拟方法,其特征在于,所述步骤(4)包括以下过程:(4.1)当一个压头在均匀的压力下作用于软组织,垂直应力F⊥与施加在软组织上的接触压力Fc的关系为:其中,h表示负载中心点在接触表面以下的垂直深度,r表示压头半径,接触压力Fc表达式为:其中 表示为单向外部负载,E表示杨氏模量,μ表示泊松比,xz表示在单向外部负载作用下软组织变形位移;
(4.2)根据步骤(4.1)中的公式计算出最小垂直应力分量F⊥min对应的负载中心点在接触表面以下的垂直深度hmax,hmax作为局部变形范围的半径,半径以内区域为局部变形区,半径以外区域为非变形区。
4.根据权利要求1所述的软组织局部压缩形变模拟方法,其特征在于,所述步骤(6)中包括以下过程:(6.1)定义过度压缩约束:
其中,τc表示临界压缩比,pi和pj分别为任意质点i及其任意一个邻点j的位置,表示弹簧的初始长度;
(6.2)若不满足约束,对点进行校正pi′=pi+Δpi,pj′=pj+Δpj,其中,