[发明专利]虚拟手术训练系统中基于四面体的组织模型切割方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种虚拟手术系统中的方法，尤其是涉及一种虚拟手术训练系统中基于四面体的组织模型切割方法。

背景技术

虚拟手术系统起源于医务人员对于复杂的三维医学数据的可视化需求，经过一定的时间，目前已经发展到对于重建后数据的实时操作，在这其中一个典型的需求就是对重建后的人体组织如皮肤、血管、器官等模型进行切割。在虚拟手术系统中，准确地模拟组织模型的切割效果对于对医生的训练或是在对手术复杂程度进行估算的时候都具有决定性的作用。应用于虚拟手术系统中的组织切割方法应该有足够的运行效率，尽可能真实地表现切割现象，且需要保持模型本身的质量不被严重破坏以保持组织物理模拟部分的稳定性与真实性。因此，一个好的组织模型切割方法对于虚拟手术系统而言有非常重要的意义，它能帮助减少手术中发生的失误，增加手术的成功率。

人体组织的建模通常使用表面模型或体模型。表面模型只描述组织的表面，而不描述内部信息，它拥有速度快，空间小，计算简单等特点，但是它无法完整表现物体特性，且内部结构也被忽视。体模型能够描述组织器官内外部的完整特性，且能够更真实地进行物理模拟，但是它计算量比较大，且需要相对大的储存空间。考虑到虚拟手术系统中往往需要对组织模型的内部进行观察与处理，且对模型的物理模拟真实性有极高要求，一个好的方法来对体模型进行准确、有效的切割模拟变得十分重要。

然而，要得到一个实际虚拟手术系统中可用的体模型组织切割方法，有一系列重要的问题需要解决。首先，体模型的拓扑结构比较复杂，常规切割方法在精度高的模型中要达到实时操作存在困难，而若使用复杂度低的切割方法或是精度低的模型则会造成模拟的不精确。其次，常规方法在对模型进行分割后往往会改变切口处的拓扑结构及模型形状，造成模型的物理模拟不稳定而不得不减少物理模拟的更新时间片，减少了虚拟手术系统的效率，因此要在分割模型的同时保持模型良好的质量是一个十分具有挑战性的问题。

现有的一些基于体模型的切割方法通常主要考虑的是切割的效率以及精确度。法国国家信息与自动化研究院提出的体模型切割方法中，将与器械产生碰撞的所有四面体单元都直接删除，为了减少视觉上的缺陷，在删除前对网格进行了一定的修正，他们的工作主要以高效的切割方法以及保持模型完整性，即消除鼓励连接点为目的，但是由于该方法对于精确度方面的探索不多，相比其他方法依然有视觉上的缺陷。荷兰乌特列支大学提出的方法避免了直接对四面体单元的消除，在他们的方法中根据碰撞的结果，模型的节点被移动到器械的切割轨迹上，因此进行分割后的模型上就会产生与切割路径相匹配的切割面，但是这个方法不产生新的四面体，仅仅改变现有四面体的形状来符合碰撞结果，对多次切割以及单次的复杂切割支持不好。瑞士苏黎士理工大学计算机图形学实验室提出了一个四面体模型分割的状态机方法，他们将单个四面体在整个切割过程中的情况分成20个状态，根据当前四面体单元与器械的碰撞情况进行状态间的转移，他们的工作主要以切割精度以及时间效率为主要考量，在他们的算法中单个四面体单元被分为17个更小的四面体单元，且其质量不能得到保证，因此一方面可能会导致四面体数量急剧上升，速度受到影响，另一方面质量差的模型会导致物理模拟变得不稳定。目前的方法没有能够在速度、精度以及模型质量三个方面都有相应考虑，而这三个方面对于切割方法是否能够良好地被应用于虚拟手术系统中有着至关重要的影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高精度和高鲁棒性、实现方便、能够高效地模拟组织模型切割且同时能够保持组织模型质量的虚拟手术训练系统中基于四面体的组织模型切割方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种虚拟手术训练系统中基于四面体的组织模型切割方法，用于控制切割器械进行切割，包括以下几个步骤：

第一步，从碰撞检测系统中提取当前的碰撞点，并传给潜在分裂面生成模块；

第二步，潜在分裂面生成模块根据碰撞点对模型进行细化并生成与手术刀划过轨迹对应的潜在分裂面，并传给面分裂模块；

第三步，面分裂模块对模型进行初步切割；

第四步，点分裂模块检测是否有孤立连接点现象，若是，则对孤立连接点进行分裂，若否，执行第五步；

第五步，判断所有被分裂过的节点是否构成完整的切面，若是，则执行第六步，若否，则返回第一步；

第六步，根据分裂点生成切割面极其轮廓，对轮廓节点进行无损拉普拉斯平滑，对切割面节点进行普通拉普拉斯平滑；