基于麦夸特算法的径向基无网格软组织数据的力反馈模型建模方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN106156537A(43)申请公布日2016.11.23(21)申请号201610512140.6(22)申请日2016.07.04(71)申请人南昌大学地址330031江西省南昌市红谷滩新区学府大道999号(72)发明人李春泉罗族周建勇索婧雯张浩林凡超熊辉(74)专利代理机构南昌新天下专利商标代理有限公司36115代理人施秀瑾(51)Int.Cl.G06F19/12(2011.01)权利要求书2页说明书6页附图2页(54)发明名称基于麦夸特算法的径向基无网格软组织数据的力反馈模型建模方法(57)摘要一种基于麦夸特算法的径向基无网格软组织数据拟合法，针对现有生物软组织物理模型的结构复杂、计算量大、实时性差的缺陷，通过考虑软组织各向异性特性，由径向基无网格法一次性获得以软组织受力点为中心，面上有限个等间距点受力位移数据，使用麦夸特法拟合软组织节点力位移模型，再以点至线，以线带面，建立生物软组织模型。该方法结构简洁、计算方便，在保留径向基无网格法精确性的同时，又大大简化计算量，保证了虚拟交互的高实时性，实现虚拟手术系统软组织力反馈模型高效建模。CN106156537ACN106156537A权利要求书1/2页1.一种基于麦夸特算法的径向基无网格软组织数据的力反馈模型建模方法，其特征在于包括以下步骤：生物软组织第hαβ节点有如下系统：以受力点O为坐标原点，其中x、y、z分别为hαβ节点横轴方向位移量、纵轴方向位移量及垂直水平面方向位移量，F为受力点O反馈力大小，为随机误差项；利用径向基无网格法获取以受力点O为中心，间距为R的H个矩形点阵节点的软组织输出力F(k)和输入位移x(k),y(k),z(k)数据；(在现实手术中生物组织受力形变的组织直径范围在1～4cm左右)；考虑生物软组织力与形变的特点可将系统写成：其中x、y、z分别为hαβ节点横轴方向位移量、纵轴方向位移量及垂直水平面方向位移量，p为系统待估参数；开始取α＝1，β＝1；步骤(1)由径向基无网格法获得各节点软组织力与形变输入输出数据，采样当前第hαβ节点输入输出数据；获取L组软组织数据；步骤(2)为避免过度拟合，利用交叉验证法先确定hαβ节点系统自变量阶数na、nb、nc，而确定了自变量阶数的同时也确定了参数p的个数m；步骤(3)设置待估参数p初值设定阻尼因子d＝10ud(0)(d(0)>0)；步骤(4)设定迭代次数u＝0，进行第一次迭代，利用L组软组织数据、参数初值p(0)及阻尼因子初值d(0)通过麦夸特算法参数估计解得p值，将求得参数p代入系统原函数式，计算残差平方和J(0)；步骤(5)将步骤(4)计算获得参数p赋予p(0)，即p(0)＝p，令u＝1即d＝10d(0)进行第二次迭代，再执行步骤(4)解得新的参数p并代入系统原函数式，计算新的残差平方和J(1)；比较J(1)与J(0)，增加迭代次数，直至J(1)<J(0)为止；步骤(6)继续增加阻尼因子d的数量级即u＝u+1，反复执行步骤(5)，直至新计算获得参(0)数p与上一次计算参数即p之差绝对值|Φ|≤δ允许最小误差为止；此时hαβ节点系统参数估计完成；步骤(7)令α＝α+1回到步骤(1)重新执行，即对节点矩阵纵向建模，当时，步骤(7)结束；步骤(8)令α＝1，β＝β+1回到步骤(1)重新执行，即对节点矩阵横向建模，当时，步骤(8)结束；至此建立了H个矩阵节点输入输出系统，即建立以受力点O为中心面积为HR22CN106156537A权利要求书2/2页生物软组织力反馈矩阵模型。3CN106156537A说明书1/6页基于麦夸特算法的径向基无网格软组织数据的力反馈模型建模方法技术领域[0001]本发明涉及虚拟手术软组织力反馈模型建模，用于实现在虚拟手术中生物软组织力反馈模型与操作者的精确性实时性交互。背景技术[0002]一个理想的生物软组织模型能够准确的将软组织位移情况及受力大小即时反馈给操作者，这就要求生物软组织模型具有高精确性及实时性。而在虚拟手术中，高效的软组织力反馈物理模型建立对虚拟手术系统的成功起着至关重要的作用。[0003]目前，基于物理驱动的软组织模型日渐成熟，大致可分为两类：一种是基于网络结构，主要有质点-弹簧模型和有限元模型。质点-弹簧模型(MS)的优点是原理简单、计算量比较小和实时性好，缺点是形变具有局部性质，并且对模型中弹簧刚度系数设置合理的材料参数是没有理论依据，很容易造成软组织在形变仿真的时候，出现失真问题。有限元模型(FEM)的优点是计算精度高，但是由于求解过程中需要组装刚度矩阵，计算量比较大，如果进行大形变或者切割的时候，网格模型的拓扑结构发生复杂的变化，使得形变实时性差；另一种是无网格结构，主要方法有粒子系统、