人体软组织模型中参数的测量及其在虚拟手术中的应用

摘要

近年来，虚拟手术是数字医疗研究的热点问题之一，它主要应用于教学、培训、诊断、术前计划、康复和手术器械的建模和分析。实现虚拟手术系统的基础是人体器官的软组织建模。目前有多种建模方法，其中之一是有限元方法。虚拟手术系统要求虚拟器官形变接近真实器官，而各种器官属性不同，形变情况也并不相同。在有限元建模过程中，如何使建模形变更接近于真实形变是建模中需要解决的关键问题之一。而决定器官形变效果的是器官本身的材料属性，所以有限元建模时需要充分考虑器官的材料特性。目前生物实验是获取建模参数的有效手段之一，本文着眼于此，通过生物实验方法测出了有限元建模中的关键参数，并将其应用到虚拟手术系统建模中。 文章首先确定了有限元建模中的关键参数为材料的应力-应变关系矩阵和材料的平均密度；其次介绍了利用生物实验测量材料参数的相关理论和研究方法；接下来利用生物实验测出了肝脏和肾脏有限元建模中的关键参数。实验表明，利用本文实验测出的肝脏参数建立的有限元模型，建模效果比使用经验参数提高了6.6％，比使用相关文献中测出的传统参数提高了0.3％；而本文测出的以往没测过的肾脏建模参数，建模效果比经验参数提高了9.5％。 本文的主要工作和创新点如下： 1．确定了有限元建模过程中与组织相关的关键参数为材料的应力-应变关系矩阵及材料的平均密度。2．建立了从表述材料属性的能量方程到建模所需应力-应变关系矩阵的桥梁，并通过详细的比较分析，在众多能量方程中选择出了适合系统建模时使用的能量方程，即指数和多项式混合的能量方程。 3．通过实验测出有限元模型中的参数，解决现在根据经验设置参数的问题，减少不必要的参数尝试工作，使建模速度加快。 4．对比了现有文献和实验测出的肝脏参数，找出了这二者存在差异的原因；测出了以往没测过的肾脏参数，为软组织建模研究提供更多的可供参考的数据。 5．建立了一套参数测量的实验框架，为今后更多器官的参数测量和建模评估铺平道路。 6．将参数应用到虚拟手术平台建模中，并将结果应用于医学领域。