[發明專利]一種基于子空間凝聚算法的軟組織形變仿真方法

在審

• 申請號: 201810021793.3
• 申請日: 2018-01-10
• 公開（公告）號: CN108109699A
• 公開（公告）日: 2018-06-01
• 發明（設計）人: 陳冬英;張麗麗;魏建崇;黃淑燕;林靈燕;李弘楠
• 申請（專利權）人: 福建江夏學院
• 主分類號: G16H50/50
• 分類號: G16H50/50
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊;丘鴻超

本發明涉及一種基于子空間凝聚算法的軟組織形變仿真方法。該方法包括：a)數據預處理與軟組織模型的三維重建；b)進行軟組織的生物力學特性分析；c)采用AABB包圍盒與三角形面片相交相結合實現碰撞檢測；d)最后進行子空間凝聚算法完成軟組織形變仿真計算，采用空間核方法實現空間映射，利用貪心算法及二維分離算法分離出最佳純子空間。本發明結合了軟組織的三維幾何建模和實時的碰撞檢測方法，最后采用改進子空間凝聚算法進行軟組織形變仿真，能較好的調節軟組織形變過程中真實性與實時性的均衡，防止模型形變過程出現畸變或停頓等現象，通過分析可具有良好的仿真效果且花費時間較短，對虛擬手術中的形變仿真有著重要的指導作用。

技術領域

本發明涉及虛擬手術中軟組織形變仿真領域，并結合子空間凝聚算法進行建模仿真，具體涉及一種基于子空間凝聚算法的軟組織形變仿真方法；主要針對軟組織形變過程中真實性與實時性的均衡問題，該方法在保證調節兩者均衡情況下，同時能夠實現模擬軟組織深度形變的良好效果，保證虛擬手術的精確性。

背景技術

在醫學領域，手術作為一種醫療手段，常用來維持患者的健康。隨著醫療水平的提高，手術所涉及的范圍不斷地擴大，已經能夠在人體的各個部位進行操作。在進行手術前，醫生需根據病患的具體情況制定詳細的手術方案，明確手術中的各個環節，預先進行手術的模擬。但由于受到了醫生自身臨床經驗和復雜的人體構造的限制，傳統手術模擬并不能完全根據醫學影像來模擬真實的手術。因此，如何模擬出真實的手術成為了醫學領域急需解決的問題。

虛擬手術是虛擬現實技術的重要應用之一，它是對現實手術中可能存在的各種過程的模擬，包括術前、術中、術后這一整個過程三個階段。其綜合了生物力學、運動力學、計算機圖形學、傳感技術等方面的知識，集視覺、觸覺、聽覺等各種器官感受于一身，能滿足醫生對病患真實情況的具體把握。利用虛擬手術進行手術前的模擬，能為醫生呈現出一個具有沉浸感、聯想性以及交互性的虛擬手術場景，使得醫學上各種手術過程能很好地進行模擬和還原，為醫學上的教學指導、術前方案制定、術中手術輔助以及術后身體調理提供技術上強大的支持，具有廣泛的應用前景和深遠的研究意義。

軟組織形變在軟組織虛擬手術系統中具有重要的地位。軟組織普遍具有不均勻性、非線性和各向異性等一系列復雜的特性，所以軟組織形變的研究是整個虛擬手術系統中的一個難點。根據軟組織建模原理是否遵照物理原理，軟組織形變模型可以分為：非物理模型(Non-physical DeformableModel)與物理模型(PhysicalDeformableModel)。非物理模型是通過幾何方法來對形變過程進行仿真，這種模型的仿真速度快，但模型的還原度并不高，在計算機性能較差的年代得到普遍應用。隨著不斷提高的計算機性能和虛擬手術真實度的要求，由于物理模型還原出的模型更逼真，所以物理模型替代非物理模型得到了廣泛的應用。非物理模型中具有代表性的類型主要是自由曲面形變模型和Chain-Mail模型這兩類。而在物理模型中具有代表性的類型主要是彈簧質點模型、有限元模型以及質量張量模型。在虛擬手術系統中，當軟組織受到外力后，要求虛擬的軟組織形變仿真同時具有真實性和實時性的特性。一方面，要保證軟組織形變的真實性，就需要保證模型具有生物力學特性，但如果具有生物力學特性將會伴隨著計算量劇增的問題出現，同時仿真所需的時間也將大幅度的增加，這種情況下軟組織形變的仿真過程將很難達到實時性的要求。另一方面，要保證軟組織形變的實時性，就需要將計算量限定在一定范圍內，這種情況下要求系統的計算步驟數要有一個限定值，計算量太小往往會伴隨著很大的誤差，這時仿真出來的軟組織形變結果將很難滿足真實性的要求。

彈簧質點模型是整個模型的質量離散到一個個的質點，不同的質點之間用彈簧連接來表示物體的彈力、阻尼力等表示物理特性的模型。該模型具有構建簡單、方便、快捷等優點，但其仍有其很多的局限性，如：(1)仿真出來的模型具有一定的不真實性；(2)物體的仿真速度也存在較大的滯后性；(3)它的平衡受到破壞后總要再找尋新的平衡狀態。