一种基于整形手术的仿真模拟系统

本发明涉及手术仿真模拟，尤其涉及基于整形手术的仿真模拟系统。

背景技术：

1、当前的整形手术仿真系统在精细建模、力学响应、流体仿真和实时反馈方面存在一定局限性。现有系统对人体解剖结构的分层建模往往粗略，难以细致区分骨骼、肌肉、脂肪等层次，导致手术仿真缺乏真实的层次感。对于软组织的力学行为仿真，传统有限元法在实时性和精度上存在不足，尤其在动态切割和大变形下难以有效再现组织的真实力学响应。在整形手术的操作过程中，流动的血液以及由激光和电刀等设备产生的烟雾均为流体，流体的运动规律较为复杂，现有的仿真模拟方法通常未对血液和烟雾进行模拟，未能基于流体动力学还原复杂的手术环境，降低了仿真的沉浸感。此外，现有系统的触觉反馈和实时性不足，无法为医生提供真实的手术触感与细节观察支持，影响了仿真体验的互动性和准确性。

技术实现思路

1、本发明针对以上不足，提出了基于整形手术的仿真模拟系统，通过改进多层次模型构建、软组织力学仿真和流体仿真，实现高度真实的手术过程模拟，提升了系统的互动性与精确性。

2、基于整形手术的仿真模拟系统，包括以下模块：

3、对象模型构建模块，用于构建整形对象的详细模型，整形对象模型包括骨骼层、肌肉层、脂肪层、皮肤层、血管分布和其余软组织分布；对象模型构建模块包括参数构建单元和影像构建单元；

4、智能特征分析模块，用于通过对多源数据进行分析，确定具体的整形部位及手术类型；智能特征分析模块包括数据采集单元、分类分析单元和用户确认单元；

5、术前方案设计模块，用于为整形手术设计出合理的方案，满足不同类型整形需求；术前方案设计模块包括标准方案匹配单元、方案微调单元和自定义方案单元；

6、力学仿真模块，用于对整形手术中涉及的软组织力学特性进行仿真，确保在虚拟环境中准确反映整形手术的力学行为；力学仿真模块包括力学特性构建单元、力学响应仿真单元和参数调整单元；

7、血液和烟雾仿真模块，用于模拟整形手术中产生的血液流动和烟雾效果，提升仿真的真实性；该模块包括血液仿真单元、烟雾仿真单元和gpu加速单元；

8、实时可视化与反馈模块，用于通过虚拟现实技术，实现对整形手术效果的实时展示和交互；实时可视化与反馈模块包括vr显示单元、交互反馈单元和进度记录单元；

9、术后评估模块，用于对模拟手术过程进行分析，并评估最终的整形效果；术后评估模块包括操作数据采集单元、整形效果评估单元和错误反馈单元。

10、作为本发明的一种优选技术方案，对象模型构建模块的参数构建单元和影像构建单元分别通过以下方法提升模型的构建效率和精度：

11、参数构建单元，基于预设模板，通过用户输入的参数生成整形对象模型，适用于简单手术或训练；

12、通过用户输入体型参数，体型参数包含性别、身高、体重、体脂率，在模型模版数据库中匹配该体型下的标准完整对象模型；通过用户输入描述参数，在标准完整对象模型中匹配需求整形部位，将对象特征参数映射至需求整形部位中，通过模型映射生成具有多层结构的整形对象模型；

13、影像构建单元，通过核磁共振成像获取精细的三维解剖影像数据，并构建符合设定精度的整形对象模型，适用于复杂手术或实际操作场景；

14、通过图像识别算法分割骨骼、肌肉、脂肪、皮肤、血管和软组织，对影像数据进行自动分层识别和建模，实现精细三维重构，以确保适用于复杂手术的高精度模型；

15、在简单的手术场景下使用参数构建，在复杂或关键手术场景下采用影像构建，以平衡精度与成本来选择数据源。

16、作为本发明的一种优选技术方案，数据采集单元，用于整合患者自述信息、医生评估信息和整形对象模型的特征数据，为特征分析提供基础数据；

17、分类分析单元，用于结合特征分类模型对采集的患者自述信息、医师评估信息、整形对象模型的特征数据进行多特征分析，将特征数据映射为整形手术中的具体需求，输出有效的整形部位及手术类型，以便在用户确认单元中作出最优选择；整形部位及手术类型的有效性通过特征分类模型输出结果的准确率进行评估，将准确率与设置的有效阈值进行比较，结果大于有效阈值则判断为有效；特征分类模型基于支持向量机构建，通过大量历史数据进行标准训练得到；

18、用户确认单元，用于对分类分析单元的输出结果进行确认，若分类分析单元无有效输出结果，则由用户选择所需的整形部位及手术类型。

19、作为本发明的一种优选技术方案，标准方案匹配单元：根据整形部位及类型，从预设的标准方案库中选择最适合的方案作为基础；

20、方案微调单元，用于根据整形对象模型的特征数据在标准方案基础上进行个性化调整，得到最终的整形模拟方案，以满足具体对象的特定需求；

21、自定义方案单元，支持医生重新设计手术方案，以便灵活应对独特的整形模拟需求。

22、作为本发明的一种优选技术方案，力学特性建模单元，根据软组织的实际材料特性，对各层软组织的弹性、黏性及应力-应变关系进行定义，建立符合生物力学规律的力学模型，并添加入整形对象模型对应的软组织中；

23、力学响应仿真单元，基于有限元法，对切割、拉伸等作用下的组织响应进行高精度仿真，实时反馈操作力和软组织形态变化，组织响应包含形变和回弹；

24、使用有限元法仿真组织响应的步骤包括：

25、离散化，将软组织分解成许多小的有限元，每个软组织单元的形变通过节点位移来描述；材料特性定义，依据软组织的生物力学特性，为每个有限元分配适合的材料属性，以精确模拟不同组织在外力作用下的不同响应；边界条件与载荷应用，通过施加边界条件和外部载荷，计算软组织在力学作用下的形变分布和内部应力状态；通过建立每个单元的应力-应变方程，将离散系统的各个单元的方程组装成整体系统的方程，利用迭代法求解，计算出组织在外力下的变形和回弹；

26、参数调整单元，用于调整力学响应仿真单元中的参数，提供多种仿真情况。

27、作为本发明的一种优选技术方案，血液仿真单元，用于通过改进sph算法计算navier-stokes方程，模拟出细致的血液动态，包括流速、流向和粘度变化；

28、烟雾仿真单元，基于marching cubes算法对手术工具引发的烟雾进行体积建模和密度变化模拟；

29、gpu加速单元，以并行计算方式提升大量粒子模拟的效率，确保血液和烟雾仿真过程的实时性。

30、作为本发明的一种优选技术方案，改进sph算法的优化包括：

31、时间步长控制优化，以平衡计算精度与实时性，将sph算法的时间步长优化为一个较大值，以减少仿真计算的子时间步数；设最大时间步长，通过以下公式确定：；其中为光滑长度，为膨胀波速度，为最大粒子速度，为最大外力，为黏度系数；

32、计算用于衡量粒子之间的相互作用的核函数，核函数影响区域由光滑长度控制，核函数的梯度用于计算压力和粘滞力，具体的核函数公式如下：；其中为维度常数，为两粒子间的标量距离；

33、计算粒子之间的压力，公式如下：；其中表示两个粒子间的压力，表示相邻粒子j的质量，和分别为粒子i和j的压力，和分别为粒子i和j的密度，表示梯度计算符号，为粒子i和j之间的核函数；

34、粘滞力的计算公式如下：；其中表示两个粒子间的粘滞力，为动态黏度系数，和分别表示粒子i和j的速度向量；

35、使用改进的空间划分方法代替传统的遍历搜索法，将计算复杂度从o(n2)降低至o(nlogn)，将粒子划分到网格中，通过遍历周围8个网格找到邻近粒子，降低计算量和内存占用。

36、作为本发明的一种优选技术方案，vr显示单元，用于通过多角度视图切换及vr环境，展现术前、术中、术后各阶段的实时整形效果；

37、交互反馈单元，用于通过触觉反馈装置，在操作时将触觉、压力感受实时反馈至用户手中，增强操作真实性；

38、进度记录单元，用于自动记录手术过程数据，包括操作顺序、时长、力度参数等，为后续复盘及改进提供支持。

39、作为本发明的一种优选技术方案，操作数据采集单元，用于记录并存储模拟手术过程中的操作数据，包含切割深度、力量和角度参数，以便分析操作质量；

40、整形效果评估单元，用于通过形态学指标自动化评估整形手术模拟结果，并生成整形评分，形态学指标包含对称性、平滑度、偏差；

41、错误反馈单元，用于基于评估结果，生成操作错误报告，提供细化的改进建议，并储存用户操作数据用于训练和优化整形操作。

42、作为本发明的一种优选技术方案，所述仿真模拟系统执行的整形手术仿真方法包括以下步骤：

43、构建对象模型：通过对象模型构建模块，选择参数构建或影像构建方式生成整形对象的多层模型，所述模型包含骨骼层、肌肉层、脂肪层、皮肤层、血管分布和其余软组织分布；

44、智能特征分析：利用智能特征分析模块获取患者自述信息、医师评估信息和对象模型特征数据，结合分类算法分析对象模型，识别需整形的特征部位和类型，输出分析结果，并由用户确认是否执行手术；

45、术前方案设计：根据分析结果，通过术前方案设计模块选择匹配的标准手术方案并进行微调，或在无匹配方案时重新设计整形手术方案；

46、力学仿真：使用力学仿真模块对整形手术过程中软组织的力学特性进行仿真，模拟外力作用下软组织的变形响应；

47、血液和烟雾仿真：通过血液和烟雾仿真模块，基于改进光滑粒子流体动力学方法模拟整形手术中血液流动，基于marching cubes算法模拟手术中可能产生的烟雾效果；

48、实时可视化与反馈：利用实时可视化与反馈模块，通过虚拟现实技术展示整形手术的实时效果，提供力觉和触觉的反馈，以实现与真实手术的交互体验；

49、术后评估：通过术后评估模块采集模拟手术过程中的操作数据，对对象模型的整形效果进行评估，生成错误分析报告并提出改进建议。

50、本发明具有以下优点：

51、本发明通过对象模型构建模块中的参数构建单元和影像构建单元，实现了骨骼、肌肉、脂肪、皮肤、血管等多层次解剖结构的精确建模；该模型为后续仿真操作提供了高精度的解剖基础，能够真实还原人体解剖特征，为整形手术方案设计和训练提供可靠的模拟基础；通过改进的光滑粒子流体动力学算法，并结合gpu并行计算，实现了整形手术中血液流动和烟雾扩散的精确动态仿真，提升了手术环境的真实性，能够在模拟过程中逼真呈现血液和烟雾的物理效果，为医生提供更接近真实的操作体验。

52、本发明提供的智能特征分析模块和术前方案设计模块，能够通过多源数据分析自动识别手术特征部位和类型，并从标准方案库中匹配最优方案，或根据对象特性进行个性化微调；这不仅简化了方案设计过程，还提升了方案的准确性和实用性，为不同复杂度的整形手术提供了高效支持；通过改进的有限元法，本发明的力学仿真模块能够在虚拟手术环境中准确模拟软组织在切割、拉伸等操作下的变形和回弹。