基于ANSYS的真實軟組織物理建模與穿刺仿真

周寧，楊帆，時亞松，王光磊，劉秀玲

(河北大學　河北省數字醫療工程重點實驗室，河北保定　071002)

基于ANSYS的真實軟組織物理建模與穿刺仿真

周寧，楊帆，時亞松，王光磊，劉秀玲

(河北大學河北省數字醫療工程重點實驗室，河北保定071002)

摘要：為了提高虛擬手術中手術針穿刺過程的精確性，以真實軟組織穿刺實驗數據及結果為基礎，研究采用基于ANSYS完成典型軟組織——肝臟的穿刺有限元仿真.由于人體組織的多樣性，軟組織生物力學特征的復雜性、不均勻性、各向異性、不可壓縮性、非線性-塑性-黏彈性,將肝臟軟組織抽象為Mooney-Rivlin材料.結合針受力使軟組織變形機理，完成了基于MATLAB對實驗和仿真的應力應變曲線的擬合，通過擬合曲線的對照可以得出，ANSYS仿真結果和真實數據應力應變曲線趨勢基本一致，驗證了肝臟穿刺有限元仿真方法的有效性和可行性.

關鍵詞：軟組織變形；ANSYS；動態仿真

DOI：10.3969/j.issn.1000-1565.2015.02.014

中圖分類號：TP399

文獻標志碼：志碼：A

文章編號：編號：1000-1565(2015)02-0188-05

Abstract:In order to improve the accuracy of operation process of needle puncture in virtual operation,finite element simulation of the typical soft tissue—liver puncture were completed based on the experimental data and result of puncture real soft tissue. Because of the diversity of human tissue and the complexity of the biomechanical properties from soft tissues, according to the comprehensive consideration of the material and the mechanical properties of the soft tissue, we abstracted the liver parenchyma as Mooney-Rivlin materials, combining with deformation mechanism of soft tissue by stress, complete contrasting between real experiment and simulation based on MATLAB. It can be seen in the comparison of the curve, stress-strain curve from simulation results by ANSYS is similar with the real data. It verified the effectiveness and the feasibility for liver puncture experiment by finite element simulation.

收稿日期:2014-09-12

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61473112；61203160)

通信作者:劉秀玲(1977-)，女，回族，河北滄州人，河北大學教授，博士，主要從事醫學信息智能處理研究.

Physical modeling and finite element simulation of

liver biopsy based on ANSYS

ZHOU Ning,YANG Fan,SHI Yasong,WANG Guanglei,LIU Xiuling

(Key Laboratory of Digital Medical Engineering of Hebei Province,

Hebei University, Baoding 071002,China)

Key words: soft-tissue deformation; ANSYS; dynamic simulation

第一作者:周寧(1980-)，男，河北保定人，河北大學講師，主要從事醫學信息處理和人工智能研究.

E-mail:liuxiuling121@hotmail.com

軟組織形變、切割和碰撞檢測都是在模型基礎上進行的，其中模型的構建主要分為2類：幾何建模和物理建模.它們的區別在于幾何模型只是對幾何特征的描述，而物理模型同時包含了仿真對象本身的物理特性.在物理建模方面，有限元法(finite element methods，FEM)與質點-彈簧模型(mass spring systems，MSS)是可變形物體物理建模研究的熱點方法，也是在人體軟組織物理建模方面應用最多的方法.其中，對于FEM及其優化算法的研究較多，此方法計算量大，并且只適用于小范圍的軟組織形變，不適用于實時且高度形變的復雜軟組織系統動態建模的要求.MSS模型是一個離散的模型，計算過程簡單，實時性好，可用于大范圍的形變，在對可變形復雜系統進行建模仿真過程中，預定義的約束條件使得模型的精度削弱，因此該方法一般用于簡單的可變形模型的建模中.近年來有許多學者利用有限元法進行穿刺建模的研究.在二維空間上，DiMaio等[2-3]利用三角形面單元對柔性針和軟組織進行有限元網格劃分，為了解決有限元法的維數災難問題，他們還提出了節點壓縮技術，進行剛性矩陣的低階更新.DiMaio[4]還利用ANSYS有限元分析工具對軟組織穿刺過程進行了一系列的仿真實驗，將軟組織簡化為線彈性模型，通過楊氏模量和泊松比來描述軟組織材料的力學特性.

本文將肝臟軟組織抽象為Mooney-Rivlin材料，結合針受力使軟組織變形機理，通過ANSYS系統的有限元建模方法，完成了基于MATLAB對實驗和仿真的應力應變曲線的對比.通過曲線的對照可以得出，ANSYS仿真結果和真實數據應力應變曲線趨勢基本一致，驗證了肝臟穿刺有限元仿真方法的有效性和可行性.

1有限元法與ANSYS系統

有限元法是依據被測對象的物理結構特征建立三維實體仿真幾何模型，通過ANSYS劃分網格對物理實體模型離散化，并將模型的實際物理特性分別加載到各網格單元體上，然后分析得出各單元體力和位移.針對肝臟穿刺實驗的特點，本仿真運用ANSYS軟件結構分析模塊中的瞬態結構響應(transient structural).

針穿刺實驗過程中，由于最初是細微形變，之后屬于較大型變，所以需要設置ANSYS中材料參數分為：細微形變時肝臟組織彈性模量E1、較大力作用時的彈性模量E2、肝臟的密度ρ、泊松比v和穿刺針的彈性模量E、密度ρ、泊松比v.

劃分網格是將連續的單元體分割為一個離散的結構，相鄰單元是通過節點處相互連接的，所以在有限元法中，計算模型實際是點與點互相連接的單元整體.計算的精確性和計算機的性能決定著單元的形狀和數目，所以綜合運算精度和運算時間2方面的因素，ANSYS中肝臟模型采用智能網格劃分，將網格控制參數(Smart Size)設置為“1”.

在彈性力學分析問題中，單元節點的應變與位移之間的關系如下:

其中,εx：基于u方向的節點應變量；εy：基于v方向的節點應變量；γxy：與u向平面垂直且平行與v向的切應變量.

所以，設置ANSYS中穿刺針沿Y軸方向的速度載荷v，同時其他所有方向的自由度定義為0，加載到穿刺針各個單元中，設置穿刺過程中的接觸單元、靶單元.綜合考慮穿刺實驗的屬性，設置穿刺針與肝臟的碰撞類型為“Eroding”，更能夠真實地反應穿刺細微形變和刺入過程.

2真實軟組織參數獲取

本實驗驗證環節，采用了典型的生物軟組織——豬的肝臟為例進行數據采集和分析.在針升降裝置模塊設定針穿刺肝臟的插入距離為30 mm，速度恒定為10 mm/min，軟件以0.1 mm進針深度實時記錄位移和針刺力.由于肝臟組織不均勻、結構復雜，為了比較不同區域的針刺力數據并檢驗標定系統的準確性，分別選擇肝臟3個不同的部位進行了實驗，實驗過程為

1)將新鮮豬肝臟固定在托盤并置于X-Y平臺上，置于針下方，調整針體垂直于支架.

2)選取平滑肝臟表面，調整針尖位置，通過人機交互界面啟動針升降裝置，當針尖與肝臟表面輕微接觸時取為針刺起始0點，針開始穿刺，此時上位機的數據采集模塊開始采集數據.

3)當到達指定位移后間隔60 s停止，關閉針升降裝置.上位機停止采集數據，并保存結果.

4)通過數據采集模塊進行數據處理，得到力學特性曲線，通過曲線標定力學參數.

圖1為實驗同步曲線，其中橫坐標為實驗時間，縱坐標分別為穿刺力值、位移值.通過圖像可知，穿測針位移隨時間逐漸線性增長，穿刺針靜止時位移是30 mm，之后位移隨時間逐漸線性減小.穿刺力隨時間逐漸增長，之后隨著穿刺針外拔，穿刺力逐漸減小.

圖1　實驗同步曲線Fig.1　Synchronization graph from experimental information

3軟組織穿刺仿真

3.1　材料屬性

由于人體組織的多樣性，軟組織生物力學特性的復雜性，本文將軟組織抽象為Mooney-Rivlin材料，通過查閱資料得穿刺針屬于合金鋼材料, 結果見表1.

表1　穿刺針、肝臟的材料屬性

3.2　實驗條件設定

在測定實驗中，穿刺針沿Y軸以約10 mm/min的速度刺入肝臟軟組織.針穿刺軟組織過程中，剛性針沿Y軸方向的速度載荷定義為常數，針桿上各節點的速度載荷相等.穿刺過程中，除針刺入的肝臟面外，其他面所有方向的自由度定義為0.

3.3　穿刺針建模

建立長度d為7 cm、半徑r為0.05 cm的穿刺針模型.通過在ANSYS中確定4個二維坐標點，依次連接為4條平面直線，以長直線為軸旋轉360°得到穿刺針模型.通過3D-SOLID164單元模塊劃分軟組織模型.

4結果及分析

圖2是穿刺針未刺入階段與刺入階段等效應力圖，它反映了肝臟穿刺中幾個時刻的等效應力分布.針尖刺到組織邊界，模型開始發生變形；在初始接觸階段應力僅集中在穿刺針周圍區域，并且距離接觸中心越近，應力值越大；隨著穿刺針的不斷侵入，接觸應力以環形應力波的形式從穿刺中心向四周擴散.

圖2　穿刺針未刺入階段與刺入階段等效應力Fig.2　Equivalent stress from not Pierce phase and Pierce phase of needle

圖3　軟件仿真與實驗的應力應變曲線對比Fig.3　Stress strain compared curve

通過觀察基于ANSYS肝臟穿刺的仿真，對比真實的實驗數據可知：

1)針尖刺到組織邊界，模型開始發生變形，并且形變隨著時間逐漸增大；

2)肝臟的等效應力曲線呈遞增趨勢，針尖移動位移18 mm時等效應力驟降，說明此處為欲穿刺臨界時刻，如圖3所示.

3)通過MATLAB對肝臟穿刺仿真與實驗數據進行比對，可以得到圖3.其中，折線為ANSYS軟件仿真圖，點表示仿真曲線與實驗曲線重合.數據說明仿真的應力曲線與實驗趨于一致，即基于ANSYS的軟組織穿刺仿真真實反應了實驗結果，因此本文基本解決了復雜軟組織物理建模方法存在的精確性與實時性之間的矛盾.

5討論

本文為計算機輔助針穿刺實驗提供了基礎平臺，對比肝臟軟組織穿刺實驗數據，有助于實現柔性針穿刺的軌跡規劃與設定，使計算機輔助針穿刺實驗精度得到提升，解決了復雜軟組織物理建模方法存在的精確性與實時性之間的矛盾.下一步工作規劃將在多層軟組織模型方面開展，精確實驗材料屬性，使仿真更能驗證真實軟組織的變形情況.

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(責任編輯：孟素蘭)