基于混合拓扑填充球模型的子宫软组织形变模拟方法

摘要

软组织形变模拟是虚拟手术领域中最为重要的研究内容之一．对于子宫等具有复杂生理结构的人体器官而言，实现其形变建模并达到模拟的实时性要求是目前存在的挑战．为了解决上述问题，本文提出了一种具有混合拓扑结构的填充球形变理论，构建了面向子宫等复杂生理结构器官的形变建模方法，实现了子宫肌瘤剔除手术背景下的子宫形变模拟．首先，提出了改进的填充球模型，针对器官部位几何表面的差异性，不同于以往单一拓扑的连接方式，设计了包含四面体拓扑和依据中轴线拓扑的混合填充球结构，并综合考虑子宫生理特性与手术特点，进行了形变模型区域性与软组织特性的细节化设计．在此基础上，提出了一种基于度量张量剖分方法的四面体拓扑填充球结构的建模方法，结合中轴线的提取，分别建立了相应子宫部位的拓扑结构，从而构建出完整的子宫填充球模型．通过OpenGL编写了子宫形变的虚拟环境，并结合3DSystems公司的Touch力反馈设备搭建子宫形变模拟平台，实现了子宫软组织的模拟变形．最后，设计与开展验证实验，测试子宫形变模拟的效果及实时性；另一方面，搭建了一套测量真实软组织形变数据的实验平台，对本研究实现的虚拟形变与真实软组织形变进行对比．实验结果表明：虚拟子宫形变的画面刷新频率集中在40～60 Hz范围内，满足了手术训练的实时性要求；在软组织所受作用力小于3 N的情况下，两者形变位移的最大差异为0.117 mm，同时形变模拟效果符合真实软组织在外力作用下的整体变形趋势．

关键词

虚拟手术 / 软组织形变 / 填充球模型

基金资助

国家重点研发计划资助项目(2022YFB4702600); 国家自然科学基金资助项目(81871457); 天津市卫生健康科研项目(ZC20111)