[發(fā)明專利]一種基于子空間凝聚算法的軟組織形變仿真方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810959632.9
• 申請日: 2018-08-22
• 公開（公告）號: CN109036567B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳冬英;張麗麗;魏建崇;黃淑燕;林靈燕;李弘楠
• 申請（專利權(quán)）人: 福建江夏學(xué)院
• 主分類號: G16H50/50
• 分類號: G16H50/50
• 代理公司: 福州元創(chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學(xué)俊

本發(fā)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(shù)據(jù)預(yù)處理與軟組織模型的三維重建；b)進(jìn)行軟組織的生物力學(xué)特性分析；c)采用AABB包圍盒與三角形面片相交相結(jié)合實(shí)現(xiàn)碰撞檢測；d)最后進(jìn)行子空間凝聚算法完成軟組織形變仿真計(jì)算，采用空間核方法實(shí)現(xiàn)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(fā)明結(jié)合了軟組織的三維幾何建模和實(shí)時(shí)的碰撞檢測方法，最后采用改進(jìn)子空間凝聚算法進(jìn)行軟組織形變仿真，能較好的調(diào)節(jié)軟組織形變過程中真實(shí)性與實(shí)時(shí)性的均衡，防止模型形變過程出現(xiàn)畸變或停頓等現(xiàn)象，通過分析可具有良好的仿真效果且花費(fèi)時(shí)間較短，對虛擬手術(shù)中的形變仿真有著重要的指導(dǎo)作用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及虛擬手術(shù)中軟組織形變仿真領(lǐng)域，并結(jié)合子空間凝聚算法進(jìn)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(shí)性與實(shí)時(shí)性的均衡問題，該方法在保證調(diào)節(jié)兩者均衡情況下，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)模擬軟組織深度形變的良好效果，保證虛擬手術(shù)的精確性。

背景技術(shù)

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，手術(shù)作為一種醫(yī)療手段，常用來維持患者的健康。隨著醫(yī)療水平的提高，手術(shù)所涉及的范圍不斷地?cái)U(kuò)大，已經(jīng)能夠在人體的各個(gè)部位進(jìn)行操作。在進(jìn)行手術(shù)前，醫(yī)生需根據(jù)病患的具體情況制定詳細(xì)的手術(shù)方案，明確手術(shù)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，預(yù)先進(jìn)行手術(shù)的模擬。但由于受到了醫(yī)生自身臨床經(jīng)驗(yàn)和復(fù)雜的人體構(gòu)造的限制，傳統(tǒng)手術(shù)模擬并不能完全根據(jù)醫(yī)學(xué)影像來模擬真實(shí)的手術(shù)。因此，如何模擬出真實(shí)的手術(shù)成為了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域急需解決的問題。

虛擬手術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要應(yīng)用之一，它是對現(xiàn)實(shí)手術(shù)中可能存在的各種過程的模擬，包括術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后這一整個(gè)過程三個(gè)階段。其綜合了生物力學(xué)、運(yùn)動力學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、傳感技術(shù)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(yī)生對病患真實(shí)情況的具體把握。利用虛擬手術(shù)進(jìn)行手術(shù)前的模擬，能為醫(yī)生呈現(xiàn)出一個(gè)具有沉浸感、聯(lián)想性以及交互性的虛擬手術(shù)場景，使得醫(yī)學(xué)上各種手術(shù)過程能很好地進(jìn)行模擬和還原，為醫(yī)學(xué)上的教學(xué)指導(dǎo)、術(shù)前方案制定、術(shù)中手術(shù)輔助以及術(shù)后身體調(diào)理提供技術(shù)上強(qiáng)大的支持，具有廣泛的應(yīng)用前景和深遠(yuǎn)的研究意義。

軟組織形變在軟組織虛擬手術(shù)系統(tǒng)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(fù)雜的特性，所以軟組織形變的研究是整個(gè)虛擬手術(shù)系統(tǒng)中的一個(gè)難點(diǎn)。根據(jù)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(jìn)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(jì)算機(jī)性能較差的年代得到普遍應(yīng)用。隨著不斷提高的計(jì)算機(jī)性能和虛擬手術(shù)真實(shí)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(yīng)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(zhì)點(diǎn)模型、有限元模型以及質(zhì)量張量模型。在虛擬手術(shù)系統(tǒng)中，當(dāng)軟組織受到外力后，要求虛擬的軟組織形變仿真同時(shí)具有真實(shí)性和實(shí)時(shí)性的特性。一方面，要保證軟組織形變的真實(shí)性，就需要保證模型具有生物力學(xué)特性，但如果具有生物力學(xué)特性將會伴隨著計(jì)算量劇增的問題出現(xiàn)，同時(shí)仿真所需的時(shí)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(dá)到實(shí)時(shí)性的要求。另一方面，要保證軟組織形變的實(shí)時(shí)性，就需要將計(jì)算量限定在一定范圍內(nèi)，這種情況下要求系統(tǒng)的計(jì)算步驟數(shù)要有一個(gè)限定值，計(jì)算量太小往往會伴隨著很大的誤差，這時(shí)仿真出來的軟組織形變結(jié)果將很難滿足真實(shí)性的要求。

彈簧質(zhì)點(diǎn)模型是整個(gè)模型的質(zhì)量離散到一個(gè)個(gè)的質(zhì)點(diǎn)，不同的質(zhì)點(diǎn)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(gòu)建簡單、方便、快捷等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(tài)。