[發(fā)明專利]一種基于網(wǎng)格與無網(wǎng)格混合的軟組織形變方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610070822.6
• 申請(qǐng)日: 2016-02-01
• 公開（公告）號(hào): CN105513130B
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王娜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 福建師范大學(xué)福清分校
• 主分類號(hào): G06T17/00
• 分類號(hào): G06T17/00;G16H50/50
• 代理公司: 福州元?jiǎng)?chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司35100
• 代理人: 蔡學(xué)俊

1.一種基于網(wǎng)格與無網(wǎng)格混合的軟組織形變方法，其特征在于：包括如下步驟，

步驟S1：利用碰撞檢測(cè)算法完成區(qū)域可變的無網(wǎng)格建模位置的確認(rèn)；

步驟S2：根據(jù)存儲(chǔ)的虛擬軟組織幾何連接拓?fù)湫畔⒔⒁粚訜o網(wǎng)格模型；

步驟S3：對(duì)無法覆蓋形變仿真中的大形變區(qū)域和不能滿足真實(shí)效果的無網(wǎng)格模型進(jìn)行擴(kuò)展；

步驟S4：重復(fù)步驟S3，完成區(qū)域可變的無網(wǎng)格建模面積動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，形成N層無網(wǎng)格模型，建立網(wǎng)格向無網(wǎng)格動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的混合模型；

步驟S5：采用無網(wǎng)格模型對(duì)虛擬器械操作軟組織過程中可能發(fā)生網(wǎng)格畸變的局部大形變區(qū)域進(jìn)行建模；

步驟S6：采用質(zhì)點(diǎn)彈簧模型對(duì)非手術(shù)區(qū)域受力較小產(chǎn)生的形變進(jìn)行網(wǎng)格建模；

步驟S7：對(duì)于無網(wǎng)格模型內(nèi)的節(jié)點(diǎn)運(yùn)用無網(wǎng)格形變方程計(jì)算受力后的節(jié)點(diǎn)位置，對(duì)網(wǎng)格模型區(qū)域采用質(zhì)點(diǎn)彈簧法計(jì)算質(zhì)點(diǎn)位置，且無網(wǎng)格模型與網(wǎng)格模型通過過渡單元的節(jié)點(diǎn)完成信息的傳遞；

所述步驟S1的具體實(shí)現(xiàn)方式為：在虛擬手術(shù)過程中虛擬器械碰撞軟組織，利用鼠標(biāo)拾取的碰撞檢測(cè)算法檢測(cè)軟組織模型的碰撞位置，搜索軟組織模型中與碰撞位置最鄰近的質(zhì)點(diǎn)作為虛擬器械的施力點(diǎn)，由此將該質(zhì)點(diǎn)鄰近的局部區(qū)域劃分為無網(wǎng)格區(qū)域，從而完成區(qū)域可變的無網(wǎng)格建模位置的確認(rèn)；

所述步驟S2的具體實(shí)現(xiàn)方式為：確定了碰撞位置最鄰近的質(zhì)點(diǎn)后，根據(jù)存儲(chǔ)的虛擬軟組織幾何連接拓?fù)湫畔ⅲ阉饕栽撡|(zhì)點(diǎn)為中心的周圍一層有相連接關(guān)系的質(zhì)點(diǎn)，并刪除與該質(zhì)點(diǎn)和與以該質(zhì)點(diǎn)為中心的周圍一層質(zhì)點(diǎn)有連接關(guān)系的彈簧約束，進(jìn)而建立一層無網(wǎng)格模型；

所述步驟S4的具體實(shí)現(xiàn)方式為：重復(fù)步驟S3，完成區(qū)域可變的無網(wǎng)格建模面積動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，形成N層無網(wǎng)格模型，將轉(zhuǎn)換單元與鄰近單元的拓?fù)溥B接關(guān)系刪掉，且保留轉(zhuǎn)換單元與鄰近單元的模型節(jié)點(diǎn)及過渡單元節(jié)點(diǎn)，并將這些節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)起來用于后續(xù)混合模型的無網(wǎng)格形變計(jì)算，未進(jìn)行無網(wǎng)格建模面積動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的區(qū)域仍保留網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于質(zhì)點(diǎn)彈簧模型的形變計(jì)算，建立網(wǎng)格向無網(wǎng)格動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的混合模型，其中，轉(zhuǎn)換單元即以碰撞位置最鄰近的質(zhì)點(diǎn)為中心向外N層的拓?fù)溥B接網(wǎng)格的形變畸變區(qū)域，鄰近單元即以轉(zhuǎn)換單元為中心向外擴(kuò)展的第一層的相鄰單元，過渡單元即以轉(zhuǎn)換單元為中心擴(kuò)展至第二層的節(jié)點(diǎn)，N為正整數(shù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于網(wǎng)格與無網(wǎng)格混合的軟組織形變方法，其特征在于：所述鼠標(biāo)拾取的碰撞檢測(cè)算法為基于射線拾取與軟組織模型三角形面片相交的碰撞檢測(cè)算法，即根據(jù)檢測(cè)得到與拾取射線相交的三角形面片及相交點(diǎn)，對(duì)該面片的三角形三個(gè)頂點(diǎn)計(jì)算與相交點(diǎn)距離最小的點(diǎn)即為最鄰近的質(zhì)點(diǎn)，把該最鄰近質(zhì)點(diǎn)作為虛擬器械在軟組織模型上的施力點(diǎn)，該基于射線拾取與軟組織模型三角形面片相交的碰撞檢測(cè)算法具體實(shí)現(xiàn)如下：

假設(shè)X_n為軟組織模型中一個(gè)三角形面片的法線，X是該三角形上的點(diǎn)，d是三角形面片到原點(diǎn)的距離；則三角形面片被描述為：

X_n·X＝d(1)

而鼠標(biāo)拾取操作的射線為：

p(t)＝p_w+tp_w1(2)

其中，p(t)為射線向量，p_w為在世界坐標(biāo)系中的起點(diǎn)，t為位置向量，p_w1為方向向量；

若以上兩個(gè)方程有公共解，則射線與三角形相交，假設(shè)相交點(diǎn)為I(x，y，z)，聯(lián)立以上兩個(gè)方程有：

(Xn·pw)+t*(Xn·pw1)=d---(3)]]>

t=(d-Xn·tpw1)/(Xn·pw)---(4)]]>

將t帶入公式(2)中則可得出相交點(diǎn)I(x，y，z)的坐標(biāo)值，并記錄相交的三角形索引，計(jì)算該三角形的三個(gè)頂點(diǎn)與相交點(diǎn)的距離的最小值，把距離最小的頂點(diǎn)作為虛擬器械的施力點(diǎn)。