[發明專利]一種基于GPU加速的混合粒子的實時血流血管耦合方法

在審

• 申請號: 201410766820.1
• 申請日: 2014-12-12
• 公開（公告）號: CN104462830A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 袁志勇;郭甲翔;廖祥云;鄭棉侖
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 薛玲

技術領域

本發明屬于虛擬手術技術領域，尤其涉及一種運用于虛擬手術的實時的血流血管耦合方法。

背景技術

血流和血管的耦合是虛擬手術中的一個重要研究內容，逼真的血流效果能極大的增強虛擬手術的沉浸感，今天的虛擬手術訓練系統能逼真的模擬手術器械和人體器官組織的耦合，然而在血流血管耦合方面所做的研究工作并不多，尤其是較大規模實時的基于物理的血流-血管耦合。另一方面，血管的形態和血流的流動相互作用和影響，很多血管疾病和血流動力學因素有著重要的聯系，例如動脈瘤，動脈瘤的起源，生長和破裂的原因都不是很清楚，但是，血流動力學因素，像血管壁面剪應力，壓力和流沖擊在動脈瘤的成因上有重要的影響，因此，考慮這些因素對制定治療計劃也是至關重要的。不幸的是，在活體中直接測量血流動力學因素是危險的和困難的。在試管中作實驗又不能很好的還原真實的血管環境，包括血管的幾何造型，血管的材料性質等。建造逼真的患者特異性的人體血管模型，對于大規模實驗來說，代價將是昂貴的。基于計算機的數值計算模型在這個時候就變得很有吸引力，它能以較低的代價去建造和研究大量的幾何造型各異的血管模型。模擬并分析血流血管的相互作用對研究和診治血管疾病有著重要的意義，真實的血管-血流耦合很有可能在術前術中規劃中為醫生提供強有力的支持。

近年來計算機方向的血流模擬及血流血管耦合的研究成果較少，大部分的研究都集中在工程領域和醫學領域。Müller等人利用光滑粒子流體動力學(SPH)方法實現了血流的模擬，此方法在血管壁上放置代理粒子，代理粒子通過Lennard-Jones-like勢能和血流粒子交互，秦璟等人通過耦合SPH方法和mass-spring方法來實現血流建模。然而這兩種方法由于沒有采用GPU加速，計算速度較慢，且都把血流當作牛頓流體看待，沒有模擬血流的非牛頓性質。Yamaguchi等人提出了多尺度的血流模擬方法，用不同的方法同時模擬血流和血細胞，并處理它們之間的耦合作用，包括物理作用，化學作用等，然而這種方法計算復雜，計算量巨大。Juan?R.Cebral等人提出了從患者血管圖像到血管動脈瘤成因的一整套建模流程和分析方法，這種方法側重于不同的血流動力學因素和血管形態下的血流血管耦合分析，在耦合的實時可視化方面缺乏有效的工作。

發明內容

針對以往血流血管耦合實時性不強或真實性不強的問題。本發明從計算機圖形學中基于物理的建模方法出發，以SPH方法為基礎，提出了一種血液的非牛頓粘性力求解方法和并行的基于混合粒子的血流血管耦合方法，同時設計了一種基于血管壁代理粒子的血管受力可視化方法。

本發明所采用的技術方案是：一種基于GPU加速的混合粒子的實時血流血管耦合方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：求解血液的非牛頓粘性力，其具體實現包括以下子步驟：

步驟1.1：引入非牛頓流體力學的卡森方程來對血流應變率相關的粘性系數建模；

步驟1.2：通過SPH方法離散化求解血流的粘性系數；

步驟1.3：通過SPH方法來離散化求解血流的非牛頓粘性力；

步驟2：基于混合粒子并行進行血流血管耦合，其具體實現包括以下子步驟：

步驟2.1：借鑒圖形學中的基于代理粒子的邊界處理方法，在血管內壁采樣一層代理粒子，通過求解代理粒子和血液粒子之間的相互作用力來實現耦合作用；

步驟2.2：耦合時將代理粒子和血液粒子的速度、位置信息等提取出來，合并成混合粒子，并通過空間位置映射插入哈希表，在哈希表中搜索混合粒子的鄰域粒子，最后通過SPH方法并行的計算每對互為鄰域混合粒子之間的相互作用力。

作為優選，步驟1.1中所述的卡森方程如下：