软组织针穿刺过程的有限元建模及实现

• 作 者: 连斌
• 机 构: 浙江大学
• 出 处: 浙江大学
• 发表日期: 2015年期
• 关键词: 软组织针穿刺 针-组织耦合模型 统一穿刺力模型

针穿刺以其微创、安全和恢复快等优点被广泛应用于活检、局部麻醉和肿瘤消融等手术。针穿刺过程中手术人员的穿刺经验对穿刺的精度和成功率有重要影响。但是,目前国内的穿刺手术训练方式过于简单,使用与真实组织性质完全不同的材料进行穿刺实验,不能很好地满足训练效果。因此,设计一个虚拟针穿刺系统具有十分重要的现实意义。针对已有耦合模型的特点,本文采用理论分析和实验研究相结合的方法,构建了针-组织耦合模型。基于穿刺实验数据,本文建立统一的穿刺力模型,并定义真实穿刺过程中作用力力分量以配合耦合模型。最后,验证有限元模型的合理性,并提出针对不同穿刺过程的通用的参数标定方案。在耦合模型建立方面,本文将“再定位”和“网格重构法”中的针节点思想应用到局部约束法中,使得模型迭代过程避免突变现象的发生,同时能保证运算的实时性要求。在具体建模方面,针对不同穿刺过程约束条件的不同,获得各穿刺阶段下的方程解。在统一穿刺力模型方面,设计了6组实验对比生物组织与人造假体的性质,在验证耦合模型假设的同时分析了穿刺力的特点。最后,结合耦合模型中对作用力分类,分析实际穿刺过程中作用力分量的特点并建立模型。在参数标定过程中,通过参数物理意义以及对仿真过程的影响,选择合适的标定参数。本文基于多元线性回归模型,分析了仿真输出对各个参数的敏感性,并将模型参数标定过程转化为一个优化过程。将优化结果视为初始值,在该值附近分析变量对结果的影响,从进一步修正变量完成标定。