腹腔镜手术仿真中复杂软组织系统的建模方法及受力分析优化

Human soft tissue system is a complex system composed by soft tissues with different characteristics. The modeling of this kind of system plays a crucial role in laparoscopic surgical simulation.In this project, we will investigate a set of common modeling and stress analysis method that is suitable for the modeling of complex soft tissues for real-time virtual surgery. The main research work of this project includes: (1) The surface contour discrete algorithm based on adaptive steps will be investigated using CT images as data source. After it is reconstructed, the three-dimensional surface of the soft tissue will be optimized based on "the degree of bending" of the surface discrete points. (2) The concept of flexible mechanisms will be introduced to the traditional mass spring model. The physical modeling for complex systems will be simplified to the research of physical modeling for a single soft tissue and the relationship between soft tissues.(3) Through biomechanics experiments on real soft tissue and parameter analysis, the relation between the physical properties of soft tissue and the model parameters will be established. The physical meaning of the model paprameters will then be specified.(4) The stress analysis and optimization and a novel dynamic grid modification algorithm will also be investigated to further enhance the performance of dynamic modeling. This project will provide an important research reference for the modeling and analysis of other biomechanics soft tissues. The research results can also be directly applied to the field of medical image processing and medical simulation,such as surgical navigation and virtual surgery systems.

人体软组织系统是由多类不同特性软组织互联组成的复杂系统，对其进行合理的建模在腹腔镜手术仿真中具有重要意义。本项目拟研究较为通用的复杂人体软组织系统建模方法及动态受力优化分析策略，主要工作包括：（1）以CT图像为数据源，研究基于自适应步长的软组织表面轮廓离散算法，进而以表面离散点"弯曲度"为依据，对三维重构网格进行优化；（2）以质点-弹簧模型为基础，引入柔性机制，将复杂系统物理建模转化为研究单一软组织物理建模方法及其之间连接关系的研究；（3）结合解剖学和生物力学给定参数的本构方程，研究系统物理模型的参数及参数设置方法，建立生物材料特性与模型参数的关系；（4）引入作用力影响范围的概念，通过设计动态网格密度修正算法和形变量求解分析及优化，提高位移和形变动态过程中受力分析的实时性。本研究将为生物软组织的建模和分析提供有益的借鉴，其成果还可直接应用于手术导航、手术规划等医学图像处理和仿真领域。

研究了软组织的几何建模方法，通过优化医学图像分割算法和三维可视化方法建立了肝脏和血管软组织的精确三维几何模型。模型和医生手动分割建立的模型重合度达90%以上。利用高分辨率的血管内光学相干图像，建立了更加精确的血管模型，并得到了血管中的斑块组织。血管轮廓提取精度达98%，三种典型斑块（纤维化、脂质和钙化）的区域平均重合度达73.67%。该研究建立了从医学图像数据到三维几何模型的实现通路，其成果可应用于虚拟手术仿真训练系统和外科手术导航系统，具有重要应用价值。. 研究了软组织物理建模方法，利用改进质点弹簧模型方法建立了肝脏和血管软组织的精确物理模型。并提出了一种基于体离散化的质点质量计算方法，优化了软组织模型受外力作用时的形变模拟。并将GPU加速算法引入到软组织形变的仿真模拟中，将仿真时间缩短了20%。根据实际血管介入手术要求，建立了血管和导丝的物理模型，并将其应用到血管介入手术系统中。该研究建立了软组织物理建模的整体框架，并对其关键技术点进行了重点突破，为以后其他软组织的物理建模奠定了基础。. 搭建了真实肝脏和血管软组织生物力学参数的测量系统，通过设计肝脏和血管软组织的拉伸和穿刺实验，以及对实验获取的应力-应变曲线和力-位移曲线建模分析，得到了真实肝脏和血管软组织的弹性模量、粘弹性系数和阻尼系数等重要参量。实验测得在微小形变下肝脏的弹性模量为0.64KPa，血管的弹性模量为14.24KPa。在较大形变时肝脏软组织的弹性模量为5.14KPa。推导出肝脏粘弹性系数为83.28KPaS。并将上述模型参数应用到软组织建模和模型验证当中，优化了软组织形变仿真效果。该项研究建立了软组织生物力学特性参数实际测量实验和分析模型，可扩展应用于其他软组织生物力学参数的测量中，对优化软组织建模，逼近实际软组织形变仿真具有重要意义。