腹腔镜手术模拟系统中软组织变形的研究

论文摘要

近几年来,手术模拟技术作为手术训练、规划的有效手段,取得了很大的发展。手术模拟系统的目的,是提供给用户身临其境的真实感和完善的交互能力。其中,有限元方法逐渐被应用到手术模拟中来,很大程度上提高了手术模拟的真实感和实时性。本文中,作为研究载体的人体肾脏模型,是利用大型通用有限元软件ANSYS进行几何建模获得的。这种几何建模(包括网格划分)方法简单有效,避免了复杂繁琐的图像处理工作。作者在腹腔镜手术模拟系统的应用背景下,对软组织变形模拟方法进行了细致的研究。对应腹腔镜手术模拟系统的要求,作者在对腹腔内软组织的生物力学特性进行详细分析研究的基础上,选择了Ligament非线性粘弹性物理模型。采用合适的软组织弹性模量、泊松比、密度等物理参量来表征软组织的粘弹性、各向异性、非线性等生物力学特性,该方法能够有效仿真软组织在变形过程中所表现出的蠕变特性和非线性。通过调整参数,能够描述不同的力学特性,从而实现用一种模型对不同软组织进行仿真,以达到简化系统的目的。该方法为手术模拟中的软组织变形高精度仿真提供了有效的解决方案。本文以肾脏模型作为实例,对本文所提出的软组织变形模拟方法,在普通的微机上进行了仿真验证。实验结果表明,该方法在真实感和实时性两个方面都达到了预期的满意效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 腹腔镜手术模拟系统组成
• 1.3.1 硬件组成
• 1.3.2 软件组成
• 1.4 主要研究内容
• 1.5 各章内容简介
• 第2章 软组织变形基础理论及其ANSYS简介
• 2.1 计算模型的选择
• 2.2 弹性力学研究
• 2.2.1 弹性力学基本概念
• 2.2.2 弹性力学基本方程
• 2.3 有限元基础理论
• 2.3.1 单元刚度矩阵构造
• 2.3.2 总刚度矩阵构造
• 2.3.3 边界条件
• 2.3.4 方程组的求解
• 2.4 大型通用有限元分析软件ANSYS简介
• 2.4.1 概述
• 2.4.2 ANSYS技术特点及应用领域
• 2.4.3 ANSYS软件的一般分析过程
• 2.5 本章小结
• 第3章 软组织建模
• 3.1 软组织几何建模
• 3.1.1 几何建模思路
• 3.1.2 软组织几何建模与网格划分
• 3.2 软组织力学特性—物理建模
• 3.2.1 软组织力学特性的检测
• 3.2.2 软组织基本生物力学特性
• 3.3 软组织有限元建模
• 3.3.1 本构公理
• 3.3.2 常用软组织有限元模型研究
• 3.3.3 Ligament非线性粘弹性模型
• 3.3.4 非线性粘弹性有限元软组织变形仿真求解方程
• 3.4 本章小结
• 第4章 软组织变形仿真
• 4.1 软组织变形仿真的预处理
• 4.1.1 软组织的几何建模结果
• 4.1.2 软组织几何模型的网格划分
• 4.2 肾脏变形仿真结果及其分析
• 4.2.1 仿真结果
• 4.2.2 仿真结果分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果