一套用于手术模拟中软组织形变精确计算的无网格算法
计算工程、金融与科学
2019-06-14 v2
摘要
预测患者特异性软组织形变的能力是计算机集成手术系统的关键，也是个性化医疗新时代的核心使能技术。无单元伽辽金（EFG）方法比有限元方法（FEM）更适合求解软组织形变问题，因其能处理大变形，同时免去了创建复杂预定义网格的必要。然而，基于 EFG 公式的无网格方法存在三个主要局限：i）采用高阶基函数的无网格形函数并非总能对任意分布节点（不规则节点布置对复杂几何的自动化离散至关重要）进行计算；ii）本质边界条件（EBC）的施加并不直接；iii）空间中的数值（高斯）积分不精确，因为无网格形函数并非多项式。本文提出一套无网格全拉格朗日显式动力学（MTLED）算法，其结合了改进移动最小二乘（MMLS）方法，用于散乱数据插值以可视化和软组织形变的数值计算、一种用于显式时间积分的 EBC 施加新方式，以及无网格全拉格朗日显式动力学算法中的自适应数值积分流程。所提方法的适用性与有效性通过与商用有限元软件 ABAQUS 中既有非线性流程的比较以及极大变形实验得到证明。为展示 MTLED 的转化效益，我们还给出了一个真实的脑移位计算。
引用
@article{arxiv.1903.04760,
title = {Suite of Meshless Algorithms for Accurate Computation of Soft Tissue Deformation for Surgical Simulation},
author = {Grand Joldes and George Bourantas and Benjamin Zwick and Habib Chowdhury and Adam Wittek and Sudip Agrawal and Konstantinos Mountris and Damon Hyde and Simon K. Warfield and Karol Miller},
journal= {arXiv preprint arXiv:1903.04760},
year = {2019}
}
备注
Accepted for publication in Medical Image Analysis