[發(fā)明專利]一種基于歐拉流體模擬算法的心臟血液流動示意顯示方法

有效

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• 申請日: 2013-12-01
• 公開（公告）號: CN103678888A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郝愛民;翟驍;李帥;秦洪
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G06T13/20
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;孟卜娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于歐拉流體模擬算法的心臟血液流動示意顯示方法。

背景技術(shù)

隨著計算機科學和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，如今計算機已經(jīng)被用來模擬各種各樣的場景。這些場景的模擬有著巨大的應(yīng)用前景，例如協(xié)助其他科研領(lǐng)域的實驗、輔助工業(yè)設(shè)計與測試、在電影和游戲中制作特效、或者在實踐教學過程中提供生動的可交互環(huán)境等等。在現(xiàn)代醫(yī)學領(lǐng)域，計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用需求非常巨大，尤其是在人體器官的物理建模、遠程會診、虛擬手術(shù)等方面。這既是計算機仿真技術(shù)與醫(yī)學相結(jié)合共同發(fā)展的機遇與動力，也是對計算機仿真技術(shù)的挑戰(zhàn)。目前計算機仿真技術(shù)已經(jīng)初步應(yīng)用于虛擬手術(shù)訓練、遠程會診、手術(shù)規(guī)劃及導航、遠程協(xié)作手術(shù)等方向。在相關(guān)領(lǐng)域中，眾多學者已經(jīng)開展了大量研究。

在醫(yī)學影像領(lǐng)域中，血液流動的模擬是十分重要的問題，但同時它又是比較復雜的問題。在圖形學方面，流體的仿真與繪制得到了廣泛的研究。近些年來，基于物理的流體的仿真技術(shù)得到了越來越多的關(guān)注。目前，基于物理的流體仿真方法大致分為三種：基于粒子系統(tǒng)的拉格朗日（Lagrange）方法、基于網(wǎng)格的歐拉（Euler）方法和基于微觀模型和力學方程的晶格玻爾茲曼（Lattice?Boltzmann）方法。

本發(fā)明通過對歐拉流體模擬方法進行研究和實現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計一種示意性的顯示方法表達流場的特征，最終完成了一個實時的心臟血液流動過程示意顯示工具。這種對血液流動的模擬顯示方式像三維動態(tài)的教科書插圖一樣，可以清晰地表示出心血管區(qū)域內(nèi)流場的物理性質(zhì)，方便醫(yī)生之間更為直觀地表達和交流，也給醫(yī)生與病患者之間良好的溝通鋪平了道路，還可以用來進行醫(yī)學專業(yè)和公共衛(wèi)生方面的教學。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服了現(xiàn)有血液流動顯示工具的不嚴謹，提供了一種基于流體物理模型的心臟血液流動示意顯示工具，并利用GPU的高度并行性能對物理模型的仿真與分析進行加速，滿足了實時顯示的需求。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于歐拉流體模擬算法的心臟血液流動示意顯示方法，包括了以下三個步驟：

步驟（1）心臟血液模型初始化階段：預處理心血管的表面三角面片模型，剖分出歐拉算法需要的三維交錯網(wǎng)格，并將網(wǎng)格建立在索引數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之上，在保證存取性能的基礎(chǔ)上優(yōu)化內(nèi)存占用，并在網(wǎng)格中初始化歐拉算法的時間邊界；

步驟（2）血液流體模擬階段：在三維交錯網(wǎng)格中利用歐拉流體模擬算法，依照流體的物理模型迭代仿真心血管內(nèi)血液的流動情況，并將仿真求解步驟中涉及的網(wǎng)格存儲于顯存中，以GPU的高度并行性能達到實時的模擬；

步驟（3）血液流場示意性顯示階段：根據(jù)步驟（2）中計算得到的血液流動情況，利用八叉樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型在心血管空間內(nèi)對流體進行分析，利用簡潔的符號示意性地表示流場的特征，并對顯示結(jié)果進行繪制。

本發(fā)明的原理在于：

（1）通過歐拉流體模擬算法，將流體狀態(tài)映射到流場，在GPU上實現(xiàn)速度對流、濃度擴散、壓強投影等步驟，可以得到基于物理的流體仿真結(jié)果。基于物理的方法有計算量大、仿真速度慢的特點，本發(fā)明將該算法移植到GPU，利用其高度并行的性能，并進行數(shù)據(jù)存取和計算的優(yōu)化，達到實時的時間要求。

（2）為了達到示意顯示的目的，本發(fā)明對于流體仿真的結(jié)果進行分析。利用八叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型自適應(yīng)的特性，可以在不同粒度下提取流場的特征，并且一定程度上在提高運算速度的基礎(chǔ)上保證細節(jié)、過濾噪聲。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

1、本發(fā)明提出了基于歐拉流體模擬算法的心臟血液流動示意顯示方法。一方面顯示的血流是通過流體物理模型仿真得到，可以保證其物理上的真實性；另一方面由于采用了GPU來進行并行計算加速，算法的運算效率提高，可以進行實時的顯示。

2、本發(fā)明提出的流場分析方法利用八叉樹的模型，在表面附近增加細節(jié)，在其他區(qū)域采用較低分辨率即可，此舉能在分析結(jié)果正確的前提下減少運算、提升速度、獲得更多細節(jié)。

附圖說明

圖1為基于歐拉流體模擬算法的心臟血液流動示意顯示方法的處理流程圖；

圖2為歐拉流體模擬算法過程示意圖；

圖3為歐拉流體模擬算法的迭代處理流程；

圖4為三維交錯網(wǎng)格示意圖；

圖5為所采用的心血管模型；

圖6為血液仿真矢量場（圖中為速度場）分析結(jié)果的展示；

圖7為血液仿真標量場（圖中為濃度場）分析結(jié)果的展示；

圖8為本發(fā)明的操作界面。

具體實施方式