(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211123976.9 (22)申请日 2022.09.15 (71)申请人 南昌大学 地址 330031 江西省南昌市红谷滩区学府 大道999号 (72)发明人 李春泉　刘泉　陶艺程　陈义洁　 陈利民　梁音　伍军云　 (74)专利代理 机构 南昌朗科知识产权代理事务 所(普通合伙) 36134 专利代理师 郭毅力　郭显文 (51)Int.Cl. G06T 17/00(2006.01) G06T 19/00(2011.01) G06F 3/01(2006.01) G06F 30/20(2020.01)G09B 9/00(2006.01) G09B 23/28(2006.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种虚拟手术中的缝合交 互仿真方法 (57)摘要 一种虚拟手术中的缝合交互仿 真方法， 包括 以下步骤： 步骤1， 构建缝合针与缝合线模型； 步 骤2， 设置缝合针与软组织表面的最大静摩擦力， 进行穿刺； 步骤3， 缝合针侵入软组织内部， 同时 牵引缝合线在软组织内部进行滑动； 步骤4， 引入 位置约束， 对滑动状态下的缝合线进行位置更 新； 步骤5， 缝合针完全穿过软组织， 牵动缝合线 拉紧伤口； 步骤6， 对缝合的整个交互过程进行控 制， 实时调整并更新缝合点位置。 本发明在软组 织内部滑动过程中通过对滑动约束点施加位置 约束， 保证了交互过程的稳定性， 并采用缝合控 制方法对整个交互过程进行调整， 可以避免伤口 无法闭合与二次开裂的情况， 从而有效地提高了 与软组织模型的缝合交 互效果。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 115439611 A 2022.12.06 CN 115439611 A 1.一种虚拟手术中的缝合交 互仿真方法， 其特 征是包括以下步骤： 步骤1， 构建缝合针与缝合线模型； 首先采用基于基尔霍夫弹性杆的方法将缝合线离散为一条由一系列顶点x0,x1,x2,…, xn‑1组成的曲线， 然后采用提取中心线的方式将缝合针简化为一条圆弧， 并对圆弧进 行分段 处理， 假设圆弧PQ表示缝合针， 则P点与Q 点分别对应于缝合针的尖端及根部； 步骤2， 设置缝合针与软组织表面的最大静摩擦力， 进行穿刺； 如果施加的穿刺力大于 最大静摩擦力， 缝合针将侵入软组织内部； 否则软组织表面不发生穿透； 具体将穿刺分为两 个过程： 1)当缝合针开始穿透软组织 时， 经分段处理后的缝合针上的顶点将跟随着针头的路径 侵入软组织内部并开始运动； 此时设置一组穿刺点p0,p1,…,pn来记录缝合针逐渐侵入 软组 织内部的过程， 同时把所有的穿刺点遵循穿刺顺序依次存 储于穿刺点链 表中； 2)当缝合针完全侵入软组织时， 并牵引缝合线在软组织内部滑动时， 两者之间的位置 关系将从穿刺状态转换为滑动状态； 通过设置一系列的滑动约束点来记录缝合线的运动过 程， 并将所有的滑动约束点遵循缝合线运动的顺序依 次存储于滑动点链表中， 同时需要存 储滑动约束点在当前时刻下 所对应的缝合线顶点序号以及软组织的节点信息； 步骤3， 缝合针侵入软组织内部， 同时牵引缝合线在软组织内部进行滑动， 根据缝合线 的运动状态计算缝合线与软组织的摩擦力： 1)当软组织产生的表面张力小于最大静摩擦力时， 静摩擦力F静等同于总作用力Fsum在 运动趋势方向上的分力， 其方向与运动趋势方向相反： 其中α 表示总作用力的方向与缝合线运动相反方向的夹角； 2)当软组织产生的表面张力小于最大静摩擦力时， 滑动摩擦力将取代静摩擦力； 滑动 摩擦力F动的计算公式如下： 其中 μ表示动摩擦系数， 与物体本身材 料的粗糙程度、 接触面的温湿度等因素有关； 步骤4， 引入位置约束， 对滑动状态下的缝合线 进行位置更新； 在外力的持续作用下， 缝合线上的两个相邻顶点间的距离将被拉长， 一旦出现距离大 于安全阈值L0的情况， 即可立即调整缝合线顶点与其对应 的滑动约束点的位置关系， 从而 产生滑动效果； 为了避免相邻的滑动约束点间距过大导致交互的不稳定与过小导致缝合线无法滑动 的情况， 对相邻滑动约束点施加位置约束进行位置修正； 对于任意一个滑动约束点n， 约束 方程可以通过泰勒公式近似为： 其中， Δn表示位置的变 化量， 表示滑动约束点n所对应的约束方程 上的梯度； 单 个滑动约束点的位置变化 量可表示 为： 其中 mi为预设的滑动约束点的质量； 比例系数s为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115439611 A 2由于滑动约束点也是软组织模型中的质点， 当软组织发生形变时， 对滑动约束点链表 中的所有质点施加拉伸约束， 此时相邻滑动约束点 n1与n2的拉伸约束可以表示 为： Cstretch(n1， n2)＝|n1‑n2|‑d0 其中， d0为质点n1与n2之间的初始长度； n1与n2的梯度分别为： 施加位置约束后， 如果仍然出现两个滑动约束 点的间距小于安全阈值L0的情况， 将对 其 中的任意 一点进行删除操作， 从而 避免冗余的滑动约束点对缝合交 互模拟过程造成干扰； 步骤5， 缝合针完全穿过软组织， 牵动缝合线拉紧伤 口， 对缝合点的位置和速度进行更 新； 将滑动约束点设定为缝合 点， 根据牛 顿运动定律， 可以对缝合 点建立如下运动方程： 其中Fstretch为缝合点i所受到的拉力， Fspring为缝合点i所受到的软组织的表面张力， Fdamp为缝合点i所受到的阻尼力， Ftense为伤口左右两端缝合点之间的作用力， mi为缝合点i 的质量， 为缝合点i的加速度； 由于缝合线的拉力方向总 是指向缝合线收缩的方向， 且一 根线上张力的大小处 处相等， 可以得到Ftense大小等同于Fstretch； 最后对缝合 点i的下一时刻的位置 与速度 进行更新， 计算公式如下： 步骤6， 对缝合的整个交 互过程进行控制， 实时调整并更新缝合 点位置； 将伤口两侧的一对相匹配的缝合点设置为一个缝合组， 记录缝合组中各点的初始位 置、 实时位置以及两点的间距变化， 并通过相应的位置信息建立出一个数据表格； 缝合点间距中初始距离 与实时距离 的相对误差 如果相对误差REi的大小超过设定值， 则对产生偏移的缝合点进行调 整并更新 位置 与 由于缝合点作为表面滑动约束点是已经发生缝合交互后所形成的， 因此不需要对已缝 合点和未缝合点进行区分。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115439611 A 3