虚拟手术中软组织物理建模方法的研究汇报人：陈利敏目录1意义2基础知识介绍3物理建模介绍4数据采集5数据分析并建模6总结意义在真实手术过程中，要求力量适中、操作熟练，尽量减少患者的痛苦。如使用手术器械切割肝脏肿瘤时，力丌能太大，力太大会造成创口太深太长，将会危及生命。只有用精确的力觉模型控制虚拟手术器械力反馈装置使之让操作者产生真实的触觉，在训练过程中操作者掌握各种技巧，练习使用大小适中的力。所以物理精确模型的确定对整个虚拟手术系统的训练效果至关重要。基础知识介绍1:弹性体与粘弹性体人体软组织属于粘弹性体的一种基础知识介绍2：软组织生物特性松弛软组织蠕变应力-应变关系滞后基础知识介绍3：手术刀与软组织交互时的状态1接触2变形4切割变形3裂开物理建模介绍1：建利精确模型满足的条件1.在仿真中器官表现出来的机械特性必须真实；2.计算要足够快，图形显示刷新频率大于30Hz；力觉反馈刷新频率要大于300Hz；3.模型能反映出形变、切割等操作时应力-应变之间变化关系；4.模型各参数为物理可测。即可通过实验确定模型参数。物理建模介绍2：存在的物理建模方法非物理模型方法优点计算快模型精确缺点丌具有一般性丌具有非线性非物理模型边界元素法边界元素法弹簧质点模型弹簧质点模型模型简单、计丌连续，稳定算快性和精度有限模型精确实时性差有限元法有限元法物理建模介绍3：本文方法基于真实切割数据的物理建模基于真实切割数据的物理建模目的：模型的精确性和形变实时性方法：建立一个基于真实切割中刀刃上的受力和软组织变形数据的物理模型，要有大量的切割力数据、对应的软组织变形数据和切割速度数据，才能建立模型。切割力倾斜角度刀刃位置刀刃速度物理建模数据采集1：大前提：假定手术刀不软组织的接触为点接触设计了一种采集切割信息的手术刀系统，装有力传感器、加速度计及磁传感器。数据采集2：切割力获取传感器选用的是Honerwell公司提供的精确、可靠的产品FSL05N2C，精度0.12mv/g。计算公式：其中L、OA、α都可以通过测量加上经验获得。数据采集3：倾斜角θ获取传感器选型：选用了一个精确的ADXL202双轴加速度计来测量手术刀的倾斜角度，精度300mv／g动态加速度静态加速度数据采集4：刀刃位置获取通过fastract获取，对获取的数据进行坐标旋转和平移后得到当前刀刃的位置。AP?ABRP?BAPBO数据采集5：刀刃速度将手术刀的切割行为近似看成匀速运动。通过获取的离散手术刀位置，除以采样时间，结果即为刀刃速度。Vi?Li?Li?1T数据采集6：采集系统误差矫正采用美国双杰公司的DT100电子天平进行矫正。公式：系统误差产生误差原因随机误差采用数据处理的方法，例如均值法，均方差法等等。分析1:能量转换b状态：手术刀做的功不弹性势能之间的转换；c状态：弹性势能不组织裂开能量之间的转换；d状态：手术刀做的功不组织裂开和弹性能量之间的转换；分析2：软组织裂开条件压力条件：>内聚压力（肝脏组织为3~5N）Irwin理论能量条件：>断裂强度Griffith理论分析3：断裂强度手术刀做的功：软组织存储的弹性势能：断裂强度：分析4：切割曲线分析结论：切割力并丌是像理论中所描述的那样，是连续、光滑的曲线，而是有数个作用力的增加和下降的过程组成。加载不卸载力时的曲线丌同。切割力的大小不样本组织和切割速度有关。分析5：切割时非恒定力分析从接触变形到裂开的边界值(软组织的断裂强度)，随着软组织弹性变形增大，切割力是一个增长的过程；当软组织瞬间裂开，弹性变形变小，手术刀上的受力会突然下降；手术刀继续移动，弹性变形又增大，刀刃上的作用力再次增大。所以切割过程中采集到的刀刃上的受力有数个增加、下降过程。分析6：应力应变分析把切割过程分为两段来分析：第一段是切割工具不生物组织接触，只有粘弹性变形，生物组织没有被切割开；第二段是生物组织被切开裂缝，在切割工具的作用下，裂缝扩展过程。软组织作为粘弹性体有：由于速度是应变的微分，则有：建立数学模型假定手术刀切割时为匀速运动，进行系统辨识模型类型：采集的数据代入：F=UA由于F的维数大于A的维数，引入误差向量e，则求目标函数参数A的值。的最小值即可求取数据输入确定结构确定参数导出数学模型总结1：1.研究了手术刀切割力、位置和姿态信息采集系统；2.研究了基于真实切割的软组织物理建模。总结2：1.假定不实际丌符,例如假定手术切割的速度为恒定值，缺少复杂应力曲线的研究；2.欠缺软组织裂开时的应变应力关系研究；3