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专利号: 2020101146167
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:

1.一种虚拟血管介入手术训练的模拟方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)使用基于点的方法对血管内部构建形变模型;

(2)使用基于位置动力学法对血管内部节点施加距离约束、体积守恒约束和弹性势能守恒约束三种约束条件;

(3)使用无网格移动最小二乘法构建从血管内部到血管表面的映射模型;

步骤(1)中,所述使用基于点的方法对血管内部构建形变模型,是指根据血管的医学影像数据,使用基于点的方法将血管内部离散化为一系列基于四面体的点云,并将血管的体积均匀分配给节点,通过获得节点的应力和应变来计算节点的形变位移向量;

所述通过获得节点的应力和应变来计算节点的形变位移向量,包括以下步骤:(a)使用多项式核函数ωij来衡量中心节点i对其邻节点j的影响能力,具体计算公式为:式中,h表示节点i的支撑半径,r表示节点i与其邻节点j之间的距离;

(b)计算节点i位移向量ui的空间导数▽ui,具体计算公式为:T

式中, 和 分别表示节点i的位移场u=(m,n,p) 中横坐标所对应的值m的空间导数、纵坐标所对应的值n的空间导数以及竖坐标所对应的值p的空间导数;

(c)通过求得的 可得到节点i处的应变εi和应力σi,具体计算公式为:σi=Cεi

式中,Ji表示节点i的雅可比矩阵,I表示单位矩阵,C表示弹性矩阵,其值取决于弹性材料的杨氏模量和泊松比;

(d)根据连续介质力学理论,估计出节点i周围所存储的应变能Ui具体计算公式为:式中,Ω表示节点i的支撑域,νi表示节点i的体积;

(e)通过对邻节点位移向量求导计算出每个邻节点的所受力fj,从而得到中心节点i的所受内力fi,其值为所有邻节点所受力fj的负总和,具体计算公式为:式中, 表示针对邻节点j的位移向量uj求导;

(f)通过对下式进行数值积分计算求解血管内部节点i的形变位移向量:式中,Mi、ui、vi、ai分别表示节点i的质量、位移、速度和加速度,t表示迭代时间,fext、fi分别表示节点i所受的外力和内力;

步骤(2)中,所述距离约束Cdistance(x1,x2)的函数公式为:Cdistance(x1,x2)=|x1‑x2|‑d0式中,d0表示节点x1,x2间的初始距离,根据距离约束的约束条件得到的节点修正因子Δxi计算公式为:式中, 表示节点xi质量的倒数,其中,i=1,2;

步骤(2)中,所述体积守恒约束Cvolume(x1,x2,x3,x4)的函数公式为:式中,V0表示虚拟四面体单元(x1,x2,x3,x4)的初始体积,根据体积守恒约束的约束条件得到的节点修正因子Δxi计算公式为:式中, 表示节点xi质量的倒数,其中,i=1,2,3,4; 表示针对节点xi、xj求导;

步骤(2)中,所述弹性势能守恒约束Cenergy(x1,x2,x3,x4)的函数公式为:式中,x0表示四面体单元(x1,x2,x3,x4)的重心位置,ki表示连接节点xi,x0的虚拟弹簧的弹性系数,di0表示节点xi,x0间的初始距离,根据弹性势能守恒约束的约束条件得到的节点修正因子Δxi计算公式为:式中, 表示节点xi质量的倒数,其中,i=1,2,3,4;

步骤(3)中,所述无网格移动最小二乘法中定义的映射函数为:h

式中,u (X)为质点X的场函数u(X)的近似函数,Φ(X)为质点X支持域内的形函数,US为一个n维向量,用以描述支持域内所有节点的形变位移, 表示第i点的形函数,ui为节点i的位移向量。

2.根据权利要求1所述的虚拟血管介入手术训练的模拟方法,其特征在于,步骤(b)中,T所述节点i的位移场u=(m,n,p) 中横坐标所对应的值m的空间导数 的计算公式为:式中,xij=xi‑xj, 表示矩量矩阵Ai的逆,mi,mj分别表示节点i和j的位移场u=(m,n,Tp) 横坐标所对应的值,ωij表示节点i和j间的权重,由多项式核函数计算,xij表示节点i的位置xi与节点j的位置xj之间的距离位移向量,||xij||表示节点i与节点j之间的距离。

3.根据权利要求2所述的虚拟血管介入手术训练的模拟方法,其特征在于,步骤(b)中,T节点i的位移场u=(m,n,p) 中纵坐标所对应的值n的空间导数 和节点i的位移场u=T T(m,n,p) 中竖坐标所对应的值p的空间导数 的计算方法与节点i的位移场u=(m,n,p)中横坐标所对应的值m的空间导数 的计算方法相同。

4.根据权利要求1所述的虚拟血管介入手术训练的模拟方法,其特征在于:采用基函数p(X)和权函数W(X)来构造形函数,基函数p(X)、权函数W(X)的函数公式分别为:T

p(X)=[1,x,y,z]

式中, 为无量纲权函数影响半径,ri为节点i的影响域半径。