نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد رشته رباتیک، گروه مستقل رباتیک، دانشکده مهندسی رباتیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 استاد، گروه کنترل، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

3 استادیار، پژوهشکده فناوری های نو، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

4 دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک، گروه ساخت و تولید، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

10.22041/ijbme.2014.13222

چکیده

شبیه‌‌سازی بی‌درنگ برای نشان دادن رفتار واقعی بافت نرم به مدل‌های بیومکانیک دقیقی نیاز دارد که دارای محاسبات سریع باشد. این مدل‌ها در خدمت کاربردهایی از جمله تشخیص پزشکی، برنامه‌ریزی و آموزش جراحی است. یکی از چالش‌ها در شبیه‌سازی عمل جراحی، برش بافت نرم است که به تغییرات ساختار هندسی و مش‌بندی مجدد عناصر در زمان بصورت آنی نیاز دارد. در این مقاله الگوریتم برشی با توجه به تحلیل هندسی بافت پیشنهاد شده است به طوری که تعداد درجات آزادی کمی تولید کرده و شبیه‌سازی پایدارتری را با آسیب کمتر به بافت نشان می‌دهد. با توجه به نتایج حاصل از شبیه‌‌سازی، الگوریتم پیشنهادی از سرعت نسبتاً زیادی برخوردار است. علاوه بر الگوریتم پیشنهادی برش، روش نگاشتی پیشنهاد شده است که ارتباط بین مدل فیزیکی عناصر و مش‌بندی بصری و برخورد را برقرار ساخته و عمل جراحی واقعی‌تری را نشان می‌دهد. در این مقاله برای به‌ دست آوردن نتایج قابل اعتماد، از مدل فیزیکی، دقیق و محاسباتی اجزای محدود استفاده شده است. روش اجزای محدود برای پایداری، دقت و عملکرد کافی در شبیه‌‌سازی آنی به‌‌کار می‌‌رود. الگوریتم پیشنهادی در محیط شبیه‌‌سازی SOFAبرای بافت نرم سه‌‌بعدی توموری ‌شکل ارزیابی شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

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

نویسندگان [English]

  • Marzie Saeidirad 1
  • Heidar Ali Talebi 2
  • Mohammad Zareinejad 3
  • Mohammad Reza Dehghan 4

1 M.Sc, Robotic Department, Faculty of Robotic Engineering, Amirkabir University of Technology

2 Professor, Control Department, Faculty of Electrical Engineering, Amirkabir University of Technology

3 Assistant Professor, New Technologies Research Center (NTRC), Faculty of Mechanical Engineering, Amirkabir University of Technology

4 Ph.D Student, Manufacturing Department, Faculty of Mechanical Engineering, Amirkabir University of Technology,

چکیده [English]

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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • finite element method
  • Soft Tissue Cutting
  • Biomechanic
  • Haptics Systems
  • Surgery Simulation

[1]     C.Bruyns, S.Senger, A.Menon, K.Montgomery, S.Wildermuth, and R.Boyle,“A survey of interactive mesh-cutting techniques and a new method for implementing generalized interactive mesh cutting using virtual tools,” The Journal of Visualization and Computer Animation, 2002, vol. 13, pp. 21–42.

[2]     S. Cotin, H. Delingette, and N. Ayache, “A hybrid elastic model for real-time cutting, deformations, and force feedback for surgery training and simulation,” The Visual Computer, 2000, vol. 16, pp. 437–452.

[3]     G. Picinbono, H. Delingette, and N. Ayache, “Non-linear anisotropic elasticity for real-time surgery simulation,” Graphical Models, 2003, vol. 65, pp. 305–321.

[4]     A. B. Mor, “Progressive Cutting with Minimal New Element Creation of Soft Tissue Models for Interactive Surgical Simulation”. PhD thesis, The Robotics Institute,Carnegie Mellon University, Pittsburgh, PA, 2001.

[5]     D., M. Harders, M. Gross, and G. Szekely, “Hybrid cutting of deformablesolids,” in Proceedings of the IEEE Virtual Virtual Reality Conference, 2006, pp. 35–42.

[6]     D. Bielser, P. Glardon, M. Teschner, and M. Gross, “A state machine for real-time cutting of tetrahedral meshes,” Graphical Models, 2004, vol. 66, pp. 398–417.

[7]     C. Mendoza, “Soft Tissue Interactive Simulations for Medical Applications Including 3D Cutting and Force Feedback”. PhD thesis, INRIA Rhone-Alpes, INPG,Grenoble, France, 2003.

[8]     H. W. Nienhuys and A. F. van der Stappen, “A surgery simulation supporting cuts and finite element deformation,” Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention, 2001, vol. 2208 of LNCS, pp. 153–160,

[9]     D. Serby, M. Harders, and G. Szkely, “A new approach to cutting into finite element models”, in Proceedings of the 4th International Conference on Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention, 2001, vol. 2208, pp. 425 –433.

[10] H.-W. Nienhuys, “Cutting in deformable objects”. Ph.d. thesis, Utrecht University,2003.

[11] T. K. Huynh Quang Huy Viet and H. T. Tanaka, “An adaptive 3d surfacemesh cutting operation,” in AMDO, 2006, vol. 4069, pp. 366–374.

[12] Bielser,D., Glardon,P., Teschner,M., and Gross,M. “A state machine for real-time cutting of tetra-hedral meshes”. In Pacific Graph., 2003, pp 377–386.

[13] Forest, C., Delingette, H., and Ayache, N.. “Removing tetrahedra from manifold tetrahedralisation : application to real-time surgical simulation”. Medical Image Analysis, 2005,   pp. 113–122.

[14] Serby, D., Harders, M., and Szkely, G.. “A new approach to cutting into finite element models”. In Medical Image Computing and Computer Assisted Intervention, 2001, vol. 2208, pp. 425–433..

[15] Steinemann, D., Harders, M., Gross, M., and Szekely, G. “Hybrid cutting of deformable solids”. In Proceedings of the IEEE Virtual Reality Conference, 2006, pp 425–433.

[16] Klingner BM, Shewchuk JR. “Aggressive tetrahedral mesh improvement”. In: Proceedings of the 16th international meshing roundtable, Springer,  2007,pp.  3–23.

[17] http://www.sofa-framework.org, (as of July 2013).

[18] Jeremie Allard, Stephane Cotin, Fran¸ cois Faure, Pierre-Jean Bensoussan,Fran¸ cois Poyer, Christian Duriez, Herv´ e Delingette, and Laurent Grisoni. “Sofa an open source framework for medical simulation”. In Medicine Meets Virtual Reality, 2007.

[19] U. Meier, O. Lopez, C. Monserrat, M,C. Juan, and,M. Alcaniz; “Real-time deformable models for surgery simulation: a survey”, In Computer Methods and Programs in Biomedicine, 2005 pp.183-197.

[20] J. F. Thompson, B. K. Soni, and N. P. Weatherill, eds., Handbook of grid generation, ch. 21, 1999.

[21] Han-Wen Nienhuys , A. Frank van der Stappen. “Supporting cuts and finite element deformation in interactive surgery simulation”. Institute of Information and Computing Sciences Utrecht University, The Netherlands, 2001.

[22] Hang Si. “TetGen A Quality Tetrahedral Mesh Generator and Three-Dimensional Delaunay Triangulator”, Version 1.4,User’s Manual.2006.

[23] D. Bielser, V.A. Maiwald, and M.H. Gross. “Interactive cuts through 3-dimensional soft tissue”. In Proceedings of the Eurographics ’99, 1999, vol. 18, pp. 31–38.

[24] Luis F. Gutierrez, Iker Aguinaga, Basil Fierz , Felix Ramos, Matthias Harders, “Pitting a New Hybrid Approach for Maintaining Simulation Stability after Mesh Cutting Against Standard Remeshing Strategies”, Computer ­Graphics International, 2011, vol. 4.

[25] Muller, M., Heidelberger, B., Teschner, M., Gross, M.: “Meshless Deformations Based on Shape Matching”. ACM Transactions on Graphics, 2005, vol. 24, pp. 471-478.