[發明專利]一種埋藏式縫合技術的實時模擬方法

有效

• 申請號: 201210297042.7
• 申請日: 2012-08-20
• 公開（公告）號: CN102855353B
• 公開（公告）日: 2016-11-23
• 發明（設計）人: 顧力栩;楊山
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 趙繼明

技術領域

本發明涉及一種虛擬手術的模擬方法，尤其是涉及一種埋藏式縫合技術的實時模擬方法。

背景技術

隨著科學技術的高速發展，虛擬手術的應用為醫療的現代化提供了越來越多的幫助。縫合作為虛擬手術中不可缺少的一部分，成為許多學者研究的課題。在縫合的模擬研究過程中，早期的學者僅僅著手于軟組織表層縫合的模擬，然而，表層縫合不能代表縫合技術的整體，也不能給訓練者很大的自由度，更不能全方位地對訓練者進行訓練和考察。埋藏式縫合對軟組織、線的模擬有很高的要求，不僅要求軟組織、線模型要有高的真實性，還對線與軟組織之間交互的模擬有可靠的物理模型，并且由于要應用于虛擬手術，這就要求模型系統達到高的更新速度，并且能達到實時。一個完整的埋藏式縫合模擬包括了軟組織模擬、縫合線模擬、碰撞檢測及響應和埋藏式穿刺模型。

對于軟組織的模擬，一些早期的研究僅僅在軟組織表面采用有結構的網格如：三角網格，來用于渲染，而在軟組織的內部采用無網格結構。一些學者僅僅關注與軟組織的表面網格，而忽略軟組織的內部結構的建模。之后有些學者采用預定義的結構來用于軟組織的模擬，如一些采用中心線(center-line?model)來對血管進行建模，一些采用立方體模型(cubic?model)。但是這些特定的模型都是用于特定的情況，并不適用于模擬從醫學數據重建的軟組織。還有學者提出一種自頂向下的face模型來用于處理軟組織與縫合線之間的碰撞。軟組織的形變的研究屬于，生物力學的研究范疇，在生物力學的研究領域對軟組織形變已經提出了許多數學模型，但由于計算的復雜性并不適用于可視化的模擬，因此，學者們多采用簡化的線性模型，線性模型對于微小形變的模擬是準確的，然而不適用于大形變量的模擬，對于這些大形變的可形變物體的模擬，需要更加復雜的非線性的模型，例如，早期學者提出的，Mooney-Rivlin模型，以及St.Venant-Kirchoff模型。

對于縫合線的模擬，大部分的方法是基于Cosserat，彈簧模型，FTL(Follow?The?Leader)，B-spline等理論，這其中FTL模型和彈簧模型被常用于縫合線的模擬，由于其效率高能達到實時。然而FTL模型是基于線的幾何性質提出的線模擬模型，這種方法完全忽略了線的物理性質，然而如果完全忽略了線的物理性質，與其他模型之間的交互將難以處理。

主流的碰撞檢測方法之一是，采用層次結構(hierarchy)為基礎核心，例如Octree，k-d樹，BSP樹等，利用包圍體的hierarchy結構也被廣泛地應用于各種碰撞檢測算法(同時這種方法也被應用于其他領域，如：光線追蹤)，包圍體的選擇，學者們也提出了許多方法，包括，球包圍體，有軸向的長方體(AABBs)另外一些碰撞檢測方法，包括采用space-time?bounds以及采用四維幾何體來包圍物體，近些年，學者們也提出基于Voronoi圖的碰撞檢測方法。

縫合過程的建模，是縫合模擬的重點部分，算法設計的好壞關系到整個縫合系統的真實性、準確性、高效性。有些學者提出縫合線穿過軟組織的過程中，縫合線穿過的是軟組織的網格點，因此縫合線并不能自由地穿過軟組織的任何一部分。另外有些學者提出，在縫合線穿過軟組織的面片時，將面片進行細分。在大部分關于縫合模擬的工作，學者大多關注表面的單層網格，除了Miyazaki，他在文中提出利用8個控制點的方法，完成了有兩層網格的縫合過程，然而，雖然如此，也不能夠給予被訓練的醫生們大的自由度。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種穩定可靠、實現方便、真實高效的埋藏式縫合技術的實時模擬方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種埋藏式縫合技術的實時模擬方法，該方法包括以下步驟：

1)采用基于物理模型的模擬方法，利用四面體彈簧模型，對軟組織進行建模；

2)借鑒頭發模擬方法，采用四面體彈簧模型，對縫合線進行建模，并通過沖量傳遞機制對縫合線進行長度控制；

3)進行縫合線的渲染，引入Bezier曲線進行差值，然后通過繪制小球來渲染出一個整條的縫合線；

4)采用K-DOPS樹進行碰撞檢測及表面張力模擬；

5)當針頭和軟組織發生碰撞且針頭施加在軟組織表面的力大于軟組織表面可承受的最大張力，針頭進入軟組織，則執行步驟6)；

6)進行軟組織與縫合線的交互模擬，包括縫合線與軟組織的表面網格的交互和縫合線與軟組織的內部網格的交互。