基于ANSYS的真实软组织物理建模与穿刺仿真

周宁，杨帆，时亚松，王光磊，刘秀玲

(河北大学　河北省数字医疗工程重点实验室，河北保定　071002)

基于ANSYS的真实软组织物理建模与穿刺仿真

周宁，杨帆，时亚松，王光磊，刘秀玲

(河北大学河北省数字医疗工程重点实验室，河北保定071002)

摘要：为了提高虚拟手术中手术针穿刺过程的精确性，以真实软组织穿刺实验数据及结果为基础，研究采用基于ANSYS完成典型软组织——肝脏的穿刺有限元仿真.由于人体组织的多样性，软组织生物力学特征的复杂性、不均匀性、各向异性、不可压缩性、非线性-塑性-黏弹性,将肝脏软组织抽象为Mooney-Rivlin材料.结合针受力使软组织变形机理，完成了基于MATLAB对实验和仿真的应力应变曲线的拟合，通过拟合曲线的对照可以得出，ANSYS仿真结果和真实数据应力应变曲线趋势基本一致，验证了肝脏穿刺有限元仿真方法的有效性和可行性.

关键词：软组织变形；ANSYS；动态仿真

DOI：10.3969/j.issn.1000-1565.2015.02.014

中图分类号：TP399

文献标志码：志码：A

文章编号：编号：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

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61473112；61203160)

通信作者:刘秀玲(1977-)，女，回族，河北沧州人，河北大学教授，博士，主要从事医学信息智能处理研究.

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:周宁(1980-)，男，河北保定人，河北大学讲师，主要从事医学信息处理和人工智能研究.

E-mail:liuxiuling121@hotmail.com

软组织形变、切割和碰撞检测都是在模型基础上进行的，其中模型的构建主要分为2类：几何建模和物理建模.它们的区别在于几何模型只是对几何特征的描述，而物理模型同时包含了仿真对象本身的物理特性.在物理建模方面，有限元法(finite element methods，FEM)与质点-弹簧模型(mass spring systems，MSS)是可变形物体物理建模研究的热点方法，也是在人体软组织物理建模方面应用最多的方法.其中，对于FEM及其优化算法的研究较多，此方法计算量大，并且只适用于小范围的软组织形变，不适用于实时且高度形变的复杂软组织系统动态建模的要求.MSS模型是一个离散的模型，计算过程简单，实时性好，可用于大范围的形变，在对可变形复杂系统进行建模仿真过程中，预定义的约束条件使得模型的精度削弱，因此该方法一般用于简单的可变形模型的建模中.近年来有许多学者利用有限元法进行穿刺建模的研究.在二维空间上，DiMaio等[2-3]利用三角形面单元对柔性针和软组织进行有限元网格划分，为了解决有限元法的维数灾难问题，他们还提出了节点压缩技术，进行刚性矩阵的低阶更新.DiMaio[4]还利用ANSYS有限元分析工具对软组织穿刺过程进行了一系列的仿真实验，将软组织简化为线弹性模型，通过杨氏模量和泊松比来描述软组织材料的力学特性.

本文将肝脏软组织抽象为Mooney-Rivlin材料，结合针受力使软组织变形机理，通过ANSYS系统的有限元建模方法，完成了基于MATLAB对实验和仿真的应力应变曲线的对比.通过曲线的对照可以得出，ANSYS仿真结果和真实数据应力应变曲线趋势基本一致，验证了肝脏穿刺有限元仿真方法的有效性和可行性.

1有限元法与ANSYS系统

有限元法是依据被测对象的物理结构特征建立三维实体仿真几何模型，通过ANSYS划分网格对物理实体模型离散化，并将模型的实际物理特性分别加载到各网格单元体上，然后分析得出各单元体力和位移.针对肝脏穿刺实验的特点，本仿真运用ANSYS软件结构分析模块中的瞬态结构响应(transient structural).

针穿刺实验过程中，由于最初是细微形变，之后属于较大型变，所以需要设置ANSYS中材料参数分为：细微形变时肝脏组织弹性模量E1、较大力作用时的弹性模量E2、肝脏的密度ρ、泊松比v和穿刺针的弹性模量E、密度ρ、泊松比v.

划分网格是将连续的单元体分割为一个离散的结构，相邻单元是通过节点处相互连接的，所以在有限元法中，计算模型实际是点与点互相连接的单元整体.计算的精确性和计算机的性能决定着单元的形状和数目，所以综合运算精度和运算时间2方面的因素，ANSYS中肝脏模型采用智能网格划分，将网格控制参数(Smart Size)设置为“1”.

在弹性力学分析问题中，单元节点的应变与位移之间的关系如下:

其中,εx：基于u方向的节点应变量；εy：基于v方向的节点应变量；γxy：与u向平面垂直且平行与v向的切应变量.

所以，设置ANSYS中穿刺针沿Y轴方向的速度载荷v，同时其他所有方向的自由度定义为0，加载到穿刺针各个单元中，设置穿刺过程中的接触单元、靶单元.综合考虑穿刺实验的属性，设置穿刺针与肝脏的碰撞类型为“Eroding”，更能够真实地反应穿刺细微形变和刺入过程.

2真实软组织参数获取

本实验验证环节，采用了典型的生物软组织——猪的肝脏为例进行数据采集和分析.在针升降装置模块设定针穿刺肝脏的插入距离为30 mm，速度恒定为10 mm/min，软件以0.1 mm进针深度实时记录位移和针刺力.由于肝脏组织不均匀、结构复杂，为了比较不同区域的针刺力数据并检验标定系统的准确性，分别选择肝脏3个不同的部位进行了实验，实验过程为

1)将新鲜猪肝脏固定在托盘并置于X-Y平台上，置于针下方，调整针体垂直于支架.

2)选取平滑肝脏表面，调整针尖位置，通过人机交互界面启动针升降装置，当针尖与肝脏表面轻微接触时取为针刺起始0点，针开始穿刺，此时上位机的数据采集模块开始采集数据.

3)当到达指定位移后间隔60 s停止，关闭针升降装置.上位机停止采集数据，并保存结果.

4)通过数据采集模块进行数据处理，得到力学特性曲线，通过曲线标定力学参数.

图1为实验同步曲线，其中横坐标为实验时间，纵坐标分别为穿刺力值、位移值.通过图像可知，穿测针位移随时间逐渐线性增长，穿刺针静止时位移是30 mm，之后位移随时间逐渐线性减小.穿刺力随时间逐渐增长，之后随着穿刺针外拔，穿刺力逐渐减小.

图1　实验同步曲线Fig.1　Synchronization graph from experimental information

3软组织穿刺仿真

3.1　材料属性

由于人体组织的多样性，软组织生物力学特性的复杂性，本文将软组织抽象为Mooney-Rivlin材料，通过查阅资料得穿刺针属于合金钢材料, 结果见表1.

表1　穿刺针、肝脏的材料属性

3.2　实验条件设定

在测定实验中，穿刺针沿Y轴以约10 mm/min的速度刺入肝脏软组织.针穿刺软组织过程中，刚性针沿Y轴方向的速度载荷定义为常数，针杆上各节点的速度载荷相等.穿刺过程中，除针刺入的肝脏面外，其他面所有方向的自由度定义为0.

3.3　穿刺针建模

建立长度d为7 cm、半径r为0.05 cm的穿刺针模型.通过在ANSYS中确定4个二维坐标点，依次连接为4条平面直线，以长直线为轴旋转360°得到穿刺针模型.通过3D-SOLID164单元模块划分软组织模型.

4结果及分析

图2是穿刺针未刺入阶段与刺入阶段等效应力图，它反映了肝脏穿刺中几个时刻的等效应力分布.针尖刺到组织边界，模型开始发生变形；在初始接触阶段应力仅集中在穿刺针周围区域，并且距离接触中心越近，应力值越大；随着穿刺针的不断侵入，接触应力以环形应力波的形式从穿刺中心向四周扩散.

图2　穿刺针未刺入阶段与刺入阶段等效应力Fig.2　Equivalent stress from not Pierce phase and Pierce phase of needle

图3　软件仿真与实验的应力应变曲线对比Fig.3　Stress strain compared curve

通过观察基于ANSYS肝脏穿刺的仿真，对比真实的实验数据可知：

1)针尖刺到组织边界，模型开始发生变形，并且形变随着时间逐渐增大；

2)肝脏的等效应力曲线呈递增趋势，针尖移动位移18 mm时等效应力骤降，说明此处为欲穿刺临界时刻，如图3所示.

3)通过MATLAB对肝脏穿刺仿真与实验数据进行比对，可以得到图3.其中，折线为ANSYS软件仿真图，点表示仿真曲线与实验曲线重合.数据说明仿真的应力曲线与实验趋于一致，即基于ANSYS的软组织穿刺仿真真实反应了实验结果，因此本文基本解决了复杂软组织物理建模方法存在的精确性与实时性之间的矛盾.

5讨论

本文为计算机辅助针穿刺实验提供了基础平台，对比肝脏软组织穿刺实验数据，有助于实现柔性针穿刺的轨迹规划与设定，使计算机辅助针穿刺实验精度得到提升，解决了复杂软组织物理建模方法存在的精确性与实时性之间的矛盾.下一步工作规划将在多层软组织模型方面开展，精确实验材料属性，使仿真更能验证真实软组织的变形情况.

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(责任编辑：孟素兰)