[发明专利]一种基于元球模型的软组织形变方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于元球模型的软组织形变方法。

背景技术

随着虚拟现实(VirtualReality，VR)技术在医学领域应用的不断拓展和深入，虚拟手术(VirtualSurgery)及VR手术模拟器越来越受到人们的关注。虚拟手术技术具有手术环境及器械响应可控，可重复演练等多项优点，成为未来外科培训的发展趋势。医生借助VR手术模拟器进行手术训练及规划，可降低手术训练以及治疗的成本和风险；减少医生培训教学中对动物和尸体的依赖。

在虚拟手术中，对人体组织器官精确的物理建模是其关键技术。一些经典的力学模型，例如有限元和质子弹簧模型等，已被应用到各类手术中，但是这些算法有些缺乏实时运算能力，有的缺乏精确的表达能力，因而，研发更为有效的人体软组织物理模型就成为虚拟手术中的一大技术难题。

在这样的背景下，考虑到人体一些主要器官，例如：胃、肝脏、胆囊等通常具有连续、光滑、圆润的表面，而元球模型(Blobbymodel、Metaballs)在呈现和表达这样的形体时具有天然的优势。因此，本发明提出了一种基于元球模型的软组织形变方法。该算法包括软组织体模型形变阶段和蒙皮阶段，并在其中形变模拟中保证了其物理真实性和迭代实时性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服了传统网格模型的真实性问题和传统物理方法的迭代周期性问题，提供了一种基于元球模型的软组织形变方法。该方法满足了软组织渲染的真实性和形变迭代的实时性。

本发明采用的技术方案为：一种基于元球模型的软组织形变方法，包括以下四个步骤：

步骤(1)、元球模型拓扑结构的构建：通过BradshowGareth球树生成算法生成软组织的元球模型，通过设置阈值的方法构建软组织体模型的拓扑结构。

步骤(2)、元球模型的形变计算：使用PositionBasedDynamic(PBD，位置动力学)算法与Laplacian坐标约束相结合的方法对软组织元球模型进行形变过程模拟。

步骤(3)、软组织体模型的蒙皮算法：对软组织体模型中的元球分别建立距离场函数，将体模型中的元球和表皮模型建立映射关系，在每次形变迭代中，表皮模型根据体模型的位置和映射关系更新其位置，完成蒙皮模拟。

步骤(4)、真实感绘制及实时触觉渲染：根据步骤(1)、(2)、(3)的算法，实现真实感绘制，并基于GeomagicTouch力反馈设备实现触觉渲染，并保证在此过程的实时性。

本发明的原理在于：

(1)为了实现软组织的连续、光滑、圆润的特性，本发明使用元球模型代替传统四面体模型作为物理模型来实现形变模拟。

(2)为了实现手术模拟中形变的物理真实性和实时性，又因为单纯PositionBasedDynamic(PBD)算法的局限性，本发明使用PBD算法和Laplacian坐标约束相结合的方法来进行体模型的形变模拟。

(3)为了实现软组织形变中的蒙皮模拟效果，本发明使用了生成元球模型距离场函数的方法，建立体模型与表皮网格模型的映射关系，并应用此算法来进行蒙皮的形变模拟。

(4)为了增加系统的物理真实性和触觉真实性，本发明使用了GeomagicTouch力反馈设备来进行手术器械的真实感绘制和触觉渲染。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明采用的元球模型较传统的四面体模型对于软组织的连续、光滑、圆润的特性能够更好的表达出来。

2、本发明提出的将PBD算法和Laplacian坐标约束相结合的方法来模拟形变过程,克服了单纯PBD算法的局限性，并且物理真实性不亚于传统物理方法，又能很好地满足系统实时性要求。

3、本发明提出的将元球建立距离场，进而建立体模型和表皮模型映射关系的蒙皮算法，以及使用GeomagicTouch力反馈设备实现触觉渲染，大大增加了形变模拟过程中的真实性。

附图说明

图1：基于元球模型的软组织形变方法的处理流程图；

图2(a)：用于模拟的肝脏原始网格模型；

图2(b)：使用Bradshow算法生成的肝脏元球模型图；

图2(c)：肝脏的表面网格模型和元球模型图；

图3(a)：肝脏半透明表皮模型和元球模型图；

图3(b)：在图3-(a)的基础上添加元球模型的拓扑结构图；

图3(c)：肝脏的半透明表皮模型和元球模型的拓扑结构图；

图4：PBD算法中的拉伸约束图示；