虚拟针刺人体软组织建模仿真

武卫翔　王杰华　高瞻

摘  要： 针刺人体软组织是医疗诊断中比较普遍使用的治疗手段，然而细微的针刺操作对医生的能力提出较高的要求。医生可采用虚拟现实技术来进行大量的训练，获得宝贵的经验。虚拟针刺过程中的软组织变形是重要研究内容。文章采用有限元方法建立软组织模型，使用GPU加速仿真的方法，实现针刺软组织的仿真。实验结果表明，软组织模型在针刺作用下，能产生局部的、小区域的变形。

关键词： 针刺; 软组织; 有限元方法; GPU

中图分类号：TP391.9          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2022）03-19-04

Abstract： Needle insertion of human soft tissue is a traditional treatment; however subtle manipulation of needle insertion demands more for doctors. Doctors can use virtual reality technology for extensive training， in order to get the valuable experience. The deformation of soft tissues is a vital research in the needle insertion. In this paper， the model for soft tissue is established with FEM， and the simulation is accelerated by GPU to realize the simulation of virtual needle insertion of body's soft tissue. The result shows that during the process of needle insertion， soft tissue can make local and small area deformation.

Key words： needle insertion; soft tissues; FEM（Finite Element Method）; GPU

0 引言

针刺技术已广泛用于微创手术和诊断中，如心脏穿刺、胸腔穿刺、肾穿刺等。治疗的效果和诊断的成功与否很大程度上依赖于针刺的精确程度[1]。由于针刺目标的不可见性、针刺操作过程的复杂性，针刺操作的训练很困难。

医生通常依赖来自穿刺针的力觉反馈和长期实践中形成的经验来操作。因此，有必要運用虚拟现实技术对针刺过程进行仿真，用于培训，使得新手能快速掌握针刺技巧。目前针刺仿真研究有很多，如袁志勇等人将信息技术和医学理论结合，开发出一套虚拟训练平台，供训练人员操作并进行测评[2]。

由于人体软组织多种多样，其结构和功能非常复杂，不同组织的力学特性也不尽相同，这一切导致对软组织模型的研究产生了很大的困难。目前用于软组织建模的方法主要包括：有限元法、质点弹簧法、边界元法和锁甲形变方法等[3]。本文采用有限元方法进行仿真建模。……