重力作用下肝脏模型变形及切割模拟仿真

张峰峰， 张石， 黄柯， 于凌涛， 孙立宁

(1.苏州大学 机电工程学院,江苏 苏州 215006； 2.苏州大学 苏州纳米科技协同创新中心,江苏 苏州 215123； 3.哈尔滨工程大学 机电工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

部分肝脏切除术是目前治疗肝癌的根治性手段，同时也是治疗一般良性肝脏疾病的有效手段[1-2]。随着医学技术的发展，将增强现实或者虚拟现实等辅助手术系统应用于肝脏切割手术过程中，能够解决传统肝脏手术过程中存在的术前和术中信息不同步的问题[3-4]。在实际的肝脏手术过程中，由于肝脏是非刚体，当手术器械对肝脏进行按压或者切割时会产生相应的形变，对于肝脏形变模拟的真实程度在很大程度决定了辅助手术系统的准确性，为准确反映实际肝脏形变特征，建立一个合理的肝脏组织生物形变模型至关重要。根据切割肝脏过程中变形是否具有真实依据可分为物理形变模型和非物理形变模型[5]。

非物理形变模型主要根据用户输入或数学计算直接改变组织模型形态对形变进行模拟，主要包括基于控制点的模型[6]和自由形变模型[7]。物理形变模型依据现实的物理定律构建变形的物理模型[8]，主要包括边界元模型[9]、有限元模型[10-11]和质点弹簧模型[12-14]，其具有准确度高、形变真实的特点，也因计算量大导致较低的刷新率。本文采用基于质点弹簧的肝脏模型，分别在重力作用下变形以及重力作用下切割进行分析，依据肝脏的生物力学特性建立了基于质点弹簧的物理形变模型，进行部分肝脏切除术中肝脏变形仿真。……