基于內(nèi)部壓力方法的人體軟組織彈性模型研究.pdf

1、人體軟組織彈性模型是指用于人體軟組織形變建模的形變模型。人體軟組織具有一系列生物力學(xué)特性,如不均勻性、各向異性、準(zhǔn)不可壓縮性、非線性-塑性-粘彈性等。本文詳細(xì)介紹了其特性,并使用數(shù)學(xué)公式對(duì)其進(jìn)行了描述。 早期的幾何形變模型僅僅反映了人體形變的幾何特征,隨著生物力學(xué)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高,物理形變模型得到了很大的發(fā)展,先后出現(xiàn)了質(zhì)量-彈簧模型和有限元模型。質(zhì)量-彈簧模型建模簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快但精度不高,魯棒性差；相比于離散的質(zhì)

2、量-彈簧模型,有限元模型是一種連續(xù)模型,有很高的計(jì)算精度但速度較慢。本文詳細(xì)說(shuō)明了兩種方法的原理與算法,并介紹了其在虛擬手術(shù)系統(tǒng)中的應(yīng)用。 然而,現(xiàn)有的質(zhì)量-彈簧模型和有限元模型都不同程度地存在建模復(fù)雜,計(jì)算速度慢,收斂性籌等缺點(diǎn)。針對(duì)其缺點(diǎn),本文研究并改進(jìn)了一種基于內(nèi)部氣體壓力的表面質(zhì)量-彈簧模型。此模型基于簡(jiǎn)單物理學(xué)和熱力學(xué)原理,使用Clausius-Clapeyron氣體壓力公式,具有數(shù)據(jù)點(diǎn)少,渲染速度快,調(diào)節(jié)參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)

3、。本文對(duì)現(xiàn)有的歐拉積分方法進(jìn)行改進(jìn),并提出了一種基于高斯散度定理精確計(jì)算不規(guī)則多面體體積的新算法。最后本文使用不同3D模型對(duì)對(duì)人體器官(如腎,手等)進(jìn)行了模擬,分析了不同參數(shù)選擇對(duì)于模擬結(jié)果的影響。 長(zhǎng)單元模型是一種新出現(xiàn)的基于物理的軟組織形變模擬方法,對(duì)于滿足帕斯卡定理和體積不變性的物體,它可以求出全局彈性形變的靜態(tài)解。其優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)格數(shù)暈比四面體或立方體少一個(gè)數(shù)最級(jí),而且模型中的物理參數(shù)可以使用體積變量(如：壓力、密度、體積和