ارايه الگوريتمي تركيبي براي شبيه سازي برش بافت نرم با استفاده از روش اجزاي محدود

A New Hybrid Algorithm for Simulation of Cutting Soft Tissue Using Finite Element Method

شبيه سازي بي‌درنگ براي نشان دادن رفتار واقعي بافت نرم به مدل هاي بيومكانيك دقيقي نياز دارد كه داراي محاسبات سريع باشد. اين مدل ها در خدمت كاربردهايي از جمله تشخيص پزشكي، برنامه ريزي و آموزش جراحي است. يكي از چالش ها در شبيه سازي عمل جراحي، برش بافت نرم است كه به تغييرات ساختار هندسي و مش بندي مجدد عناصر در زمان بصورت آني نياز دارد. در اين مقاله الگوريتم برشي با توجه به تحليل هندسي بافت پيشنهاد شده است به طوري كه تعداد درجات آزادي كمي توليد كرده و شبيه سازي پايدارتري را با آسيب كمتر به بافت نشان مي دهد. با توجه به نتايج حاصل از شبيه سازي، الگوريتم پيشنهادي از سرعت نسبتاً زيادي برخوردار است. علاوه بر الگوريتم پيشنهادي برش، روش نگاشتي پيشنهاد شده است كه ارتباط بين مدل فيزيكي عناصر و مش بندي بصري و برخورد را برقرار ساخته و عمل جراحي واقعي تري را نشان مي دهد. در اين مقاله براي به دست آوردن نتايج قابل اعتماد، از مدل فيزيكي، دقيق و محاسباتي اجزاي محدود استفاده شده است. روش اجزاي محدود براي پايداري، دقت و عملكرد كافي در شبيه سازي آني به كار مي رود. الگوريتم پيشنهادي در محيط شبيه سازي SOFA براي بافت نرم سه بعدي توموري شكل ارزيابي شده است.

Computationally fast biomechanical models are required to present the actual behavior of soft tissue in real-time simulation. These models are applied in medical diagnosis, surgical planning and training. One of the challenges in the surgical simulation is soft tissue cutting that requires topology changes and elements remeshing in real-time.This paper present a new algorithm for soft tissue cutting using its geometric analysis. This method creates a less number of degrees of freedom and shows a stable simulation that leads in less tissue damage as compared to other methods. According to the simulation results, the proposed algorithm has a relatively high speed. In addition, a mapping method has been proposed that relates physical and visual model and consequently shows a more realistic surgery. In order to achieve a physics based, accurate and reliable force model, Finite Element Method is used. Finally, the proposed algorithm is simulated for three-dimensional soft tissue tumor and evaluated using the SOFA-Framework.