一种用于模拟微创穿刺手术的方法及其系统与流程

技术特征：

1.一种用于模拟微创穿刺手术的方法，其特征在于：其包括以下步骤，

步骤1，将人体组织与病变体的三维模型结合形成完整的病变人体三维组织模型；

步骤2，基于所述病变人体三维组织模型，构建具备生物力学特征的虚拟人体组织，并对所述虚拟人体组织进行表面半透明化处理；

步骤3，确认虚拟手术器械与虚拟人体组织发生碰撞，基于虚拟人体组织在软组织形变及穿刺过程中对虚拟手术器械反馈的作用力，对虚拟人体组织产生力学变形并输出视觉反馈，辅助规划手术路径。

2.如权利要求1所述的一种用于模拟微创穿刺手术的方法，其特征在于:步骤1中，人体组织和病变体的三维模型是通过导入扫描数据，在三维软件中分别建模构建而成，并将三维软件中构建成的三维模型进行网格化处理。

3.如权利要求1所述的一种用于模拟微创穿刺手术的方法，其特征在于:步骤2进一步包括：

构建弹簧质点模型；

基于弹簧质点模型所构建的模型中，每一个质点受到一个外部作用力F_ext，根据形变的运动学方程，获得F_ext的第一种表达方式为：

$m\frac{{\mathrm{dx}}^2}{{\mathrm{dt}}^2}+D\frac{dx}{dt}+kdx=F_{ext}---\left(1\right);$

其中，m表示质点的质量，x表示质点的位移，t表示时间，D表示阻尼器的阻尼系数，K表示弹簧的弹性系数，F_ext表示该质点受到的外部作用力；

根据胡克定律和牛顿第二定律，F_ext的第二种表达方式为：

F_ext＝F_s+F_d+F_p (2)；

其中，F_s为质点所受到的弹簧弹力，F_d为质点受到的阻尼力，F_p为模拟的内部回复力；

结合公式(1)和公式(2)，计算出当前质点的位移量x，并将x至反馈在虚拟人体软组织上。

4.如权利要求3所述的一种用于模拟微创穿刺手术的方法，其特征在于:步骤3进一步包括:

构建内部气体分子力模型，利用克拉伯龙方程式计算出质点所受压力；

通过压强计算公式，获得当前质点的内部回复力。

5.如权利要求1所述的一种用于模拟微创穿刺手术的方法，其特征在于：步骤3中，虚拟人体组织在接触过程中对虚拟手术器械反馈的作用力F，该作用力F表示形式为：

$F=Kx+D\stackrel{\·}{x};$

其中，F为触觉反馈力，K为弹簧的刚度系数，D为阻尼器的阻尼系数，x为虚拟手术器械当前位置与表面接触点之间的距离，即碰撞深度；

步骤3中，虚拟人体组织在穿刺过程中对虚拟手术器械反馈的作用力F为虚拟手术器械与虚拟组织之间的摩擦力。

6.一种用于模拟微创穿刺手术的系统，其特征在于：其包括，

病变人体组织构建模块，用于构建人体三维组织及病变体，并将两者结合构成完整的病变人体三维组织模型；

生物力学处理模块，用于对所述病变人体三维组织模型构建具备生物力学特征的虚拟人体组织；

力学交互反馈模块，用于模拟虚拟手术器械在接触及穿刺过程中对虚拟手术器械的反馈作用力，并使虚拟人体组织产生力学变形，产生视觉输出，显示穿刺路径，辅助检查和优化穿刺轨迹。

7.如权利要求6所述的一种用于模拟微创穿刺手术的系统，其特征在于：所述的生物力学处理模块还包括一用于将所述的虚拟人体组织的表面进行半透明化处理的可视化处理模块。

8.如权利要求7所述的一种用于模拟微创穿刺手术的系统，其特征在于：所述的力学交互反馈模块包括:

用于计算虚拟手术器械在接触及穿刺过程中对虚拟手术器械的反馈作用力的碰撞检测模块；及，

与该碰撞检测模块连接的力触觉仿真模块和柔性变形模块；

且所述的一种用于模拟微创穿刺手术的系统还包括：

一用于控制虚拟手术器械输入作用力并接受力学反馈模块输出反馈作用力的力反馈设备。

9.如权利要求8所述的一种用于模拟微创穿刺手术的系统，其特征在于：所述的柔性变形模块的输出端还装有一视觉输出模块，并将该视觉输出模块与一视频透射式头盔显示器相连。

10.如权利要求9所述的一种用于模拟微创穿刺手术的系统，其特征在于：所述的视频透射式头盔显示器包括一用于采集现实场景环境的摄像头、和与该摄像头输出端相连接的图像处理模块，所述的视觉输出模块的输出端与所述的图像处理模块相连接。