[發明專利]一種基于Cross模型的多粒子混合修正的血栓模擬方法

在審

• 申請號: 201810722129.1
• 申請日: 2018-07-04
• 公開（公告）號: CN109102893A
• 公開（公告）日: 2018-12-28
• 發明（設計）人: 戴熹;林淑金;蘇卓;周凡
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G16H50/50
• 分類號: G16H50/50;G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于Cross模型的多粒子混合修正的血栓模擬方法。本發明使用基于Cross模型的多粒子混合修正SPH法來模擬血液，從而解決在模擬過程中出現的質量大的粒子往下沉、質量小的粒子往上浮的不符合正常血液生理現象的問題；使用一種逐粒子聚合的方法以簡化血栓模型來模擬血液中血栓的形成，從而解決傳統方法無法模擬出血液中血栓形成的問題。本發明提出的基于Cross模型的多粒子混合修正的血栓模擬方法能夠較為真實地模擬血液，并且模擬血液中血栓的形成。正確模擬血液中血栓的形成，有利于對血栓的研究，可以應用于虛擬手術、醫學輔助研究等醫學應用；同時，本發明技術方案可以滿足游戲與影視行業相關方面的需求。

技術領域

本發明涉及計算機圖形學領域，具體涉及一種基于Cross模型的多粒子混合修正的血栓模擬方法。

背景技術

血液是由心臟推動并在全身血管內循環流動的一種組織，具有運輸、防御、調節體溫和維持酸堿平衡及滲透壓平衡的功能，對維持人類生命健康起著至關重要的作用。血栓是血液因為某種原因而凝固的產生的，由血栓引起的疾病可能會對人類生命健康造成巨大威脅。

流體，是氣體和液體的總稱，貫穿于人類生活的方方面面，如何在高效地在計算機上模擬出符合真實流體性質和運動規律的流體動畫是近年來計算機圖形領域一個十分熱門的話題。計算機流體模擬的方法可以根據觀察對象的不同來分成兩大類，其中一類稱為歐拉法，該類方法的主要思路是將模擬場景劃分為均勻網格，將網格上的每個格點作為觀察對象，通過某種數值方法來在這些格點上求解N-S方程，同時將流體的物理數值存放于格點上；另一類方法稱為拉格朗日法，該類方法的主要思路是將所要模擬的流體劃分為流體微團，并用流體粒子來編寫流體微團，然后將每個流體粒子作為觀察對象，通過某種數值方法在每個粒子上求解N-S方程，同時將流體的物理數值存放于粒子中。SPH法就是一種應用廣泛的拉格朗日流體模擬法。

SPH法通過核函數加權法來求解N-S方程，即每個流體粒子上的N-S方程的物理項，包括密度、壓力和粘性力等，由粒子固定半徑內的鄰域粒子的相對應的物理數值加權相加得到，其中的權重值由選取合適的核函數計算得到。進而計算出每個粒子的加速度，再選取合適的時間步長計算粒子的速度，從而可以計算出每個時刻粒子的位置。這樣只要記錄下每個時刻每個粒子的位置，就可以模擬出流體整體的運動情況。

自然界中的流體通常可以劃分成兩類，即牛頓流體和非牛頓流體。在溫度不變的條件下，牛頓流體的粘性系數是常量數值，而非牛頓流體的粘性系數隨著流體的切變率的改變而改變。血液是一種常見的剪切變稀非牛頓流體，即血液的粘度隨著切應力的增大而減小。血液除了具有非牛頓流體常見的物理性質，還有許多獨特的生化性質和流變性。

血栓的形成即是血液的一種獨特的現象。血栓是一種血凝塊，當血管損傷流血時，血小板、紅細胞和纖維蛋白等相互作用而形成血塊粘附于傷口處以阻止血液流失，但是當血栓形成于血管中，嚴重影響正常血液流動時，可能會引發各種疾病，對人類身體健康造成巨大危害。血栓的形成主要原因有血管內壁損傷、湍流等引起的血流異常和血液粘性過高等。正確地模擬血液中血栓的形成，在醫學領域如輔助醫學研究、模擬血管內的某些病理現象等具有重要的意義，甚至在影視、游戲也能有重要應用。

現有的非牛頓流體模擬的技術方案主要是使用基于Cross模型的SPH方法來模擬非牛頓流體。

SPH法的主要思路如下：將流體離散化為流體粒子，流體的物理數值都由流體粒子攜帶；在每個粒子上基于核函數加權法求解N-S方程，即選取適當的核函數，對于每個粒子，找到其固定核半徑內的鄰域粒子，然后基于鄰域粒子的相對應的物理數值加權求和，計算出該粒子的密度、所受壓力和所受粘性力，再加上粒子所受重力，計算出粒子所受合力，從而計算出粒子加速度；進一步計算出粒子的速度和位置，最后由所有粒子每一時刻的位置來刻畫出整個流體的運動。