[發明專利]軟組織形變仿真方法

有效

• 申請號: 201310267557.7
• 申請日: 2013-06-28
• 公開（公告）號: CN103400023B
• 公開（公告）日: 2016-11-02
• 發明（設計）人: 劉雪梅;王瑞藝;孫新娟;姚建斌;宋連公;馮飛*;郭松;高陽;李海瑞;朱韶楠
• 申請（專利權）人: 華北水利水電大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 鄭州大通專利商標代理有限公司 41111
• 代理人: 陳大通

技術領域

本發明涉及一種軟組織形變仿真方法。

背景技術

虛擬手術仿真是虛擬現實技術的重要應用之一，其目標是利用各種醫學影像數據以及虛擬現實技術在計算機中建立逼真的虛擬手術環境，使得醫生或者受訓者可以借助該虛擬環境進行手術訓練。

在虛擬手術仿真中，軟組織器官的形變模型決定了虛擬手術仿真的視覺效果和力反饋精度。常見的軟組織形變計算模型分為兩大類：基于幾何的形變模型和基于物理的形變模型。基于幾何的形變模型僅僅考慮了幾何形態的變化，而忽略了軟組織的實際力學本構方程以及形變過程中物體質量、力或其他物理現象的作用，因此不能真實的反映軟組織的形變過程，該模型目前已較少使用；基于物理的形變模型則基于軟組織的力學本構方程，通過相應的計算模型得出組織受力時的形變，能夠更加真實的反映組織的形變，因此目前使用較多。目前，基于物理的形變模型主要有有限元模型和質點-彈簧模型。有限元模型的優點是參數連續化，在大形變情況下也能模擬組織形變，具有較高的精度和適應性，但其建模復雜，計算量大，需要大量的預處理工作，尤其在切割過程中難以實現快速的網格重構，因此，實時性較差。與有限元模型相比，質點-彈簧模型不需要將參數連續化，容易實現，運算速度較快。而質點-彈簧模型一般分為面模型和體模型兩種，面模型的網格密度可以根據仿真的要求進行劃分，計算效率高，可以滿足仿真的實時性，但是，只能反映組織表面的形變特征，不能刻畫三維實體的內部結構，是以犧牲精度為代價來保證實時性，體模型是對具有一定體積的實體組織進行建模，能夠同時表現表面和內部結構，具有較高的精度，但實時性較差。

對于上述模型，目前求解其二階微分方程的主要方法有歐拉法和龍格-庫塔法。顯式歐拉法計算量小，但是一般只一階收斂，精度不高，為實現逼真的模擬效果，時間步長需要設置很小，從而導致整個形變過程延長，并且由于存在進退性沖擊波，不適合用于質點-彈簧模型。隱式歐拉法精度高，穩定性好，但是計算量卻較大。龍格-庫塔法也具有較高的精度和穩定性，但是，在一步計算中需要計算四次函數的值，計算量大，實時性較差。在虛擬手術仿真中，光滑的觸覺反饋對實時性的要求更高。因此，如何設計出一種支持光滑觸覺反饋的快速且逼真的軟組織形變仿真方法，盡可能的滿足虛擬手術對實時性以及精確性的要求，已成為虛擬手術面臨的首要問題。

發明內容

為克服以上現有技術的不足，本發明要解決的技術問題是提供一種軟組織形變仿真方法，能夠有效構建軟組織生物力學模型，并對其中質點的速度、位移以及受力信息進行高效求解，從而有效解決虛擬手術仿真中的實時性、精確性以及反饋力光滑性問題，進而滿足虛擬手術仿真的需要。

本發明的技術方案是：

一種軟組織形變仿真方法，包含以下步驟：

步驟1）：采集軟組織的數據信息，并采用基于四面體的質點-彈簧體模型建立軟組織的生物力學模型，該生物力學模型由n個質點組成，并且對于其中任意一個質點i，滿足以下方程：

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