[发明专利]基于数据驱动的血流仿真方法

说明书

本发明涉及基于数据驱动的血流仿真方法，其特征在于包括以下步骤：基于数据驱动的方法采集手术刀切割皮肤或器官时的血液流动信息数据，并生成流体动画根据生成的流体动画，采用光流法求解速度场数据；根据所述速度场数据，进行手术刀与血流交互的局部区域仿真；根据所述速度场数据，进行血流扩散的区域仿真；根据手术刀与血流交互的局部区域仿真和血流扩散的区域仿真得到手术刀切割皮肤或器官时血流仿真模型。本发明得到血流仿真模型，具有高精度、高真实感和实时性，且血流扩散时表面过渡自然、平滑。

技术领域

本发明涉及图像处理和计算机图形学技术领域，具体涉及一种基于数据驱动的血流仿真方法。

背景技术

在虚拟手术中，我们常常需要对器官、组织等进行切割，因此，流血现象十分地常见。考虑到虚拟手术系统的实时性和真实性，对血流仿真的研究是虚拟手术系统中所必需的。对血流的仿真，国内外很多研究人员通过学习、不断创新，在针对不同的需求提出众多解决的方案。其应用的方法可分为以下几个方向：基于二维高度场网格的仿真，基于物理方程的仿真。

基于二维高度场的网格流体模拟方法，这种方法首先把水面表示成为一个连续的平面网格，然后生成一系列对应于这张网络的连续的高度纹理－称为高度图。接着每个网格顶点对应于一个高度图的像素，作为水面高度，从而表示出整个水面。为了模拟现实世界中水波在水面不断延伸起伏的效果，就必须映入相关的波动方程。其中大多数采用类似于正余弦函数来模拟水面的波动，其具体实现也是多种多样，波动方程是一种重要的偏微分方程。

基于物理方程的仿真方法，主要分为欧拉网格法和拉格朗日网格法，以及无网格法。下面做一个简单的介绍。

欧拉法把仿真的整个空间建立成一个网格，所有网格节点和网格单元固定在空间的指定位置上不会随模拟的时间推移而改变。流体在固定的空间网格中流动，由于网可靠的固定性，所以无论流体的形状发生任何变化，都不会对空间网格造成影响。我们只需计算通过网格单位边界的物理量即可实现流体的物理模拟。其缺点是计算复杂，计算量大。

拉格朗日法则是将网格建立在模拟对象上。所以随模拟对象的体积、形状的不同，网格也不相同，并且随着模拟时间推移，物体的运动也会导致物体上附着的网格点随之运动。但是其计算简单，执行速度较快。

无网格法，其基本思想是，利用一些不需要网格进行联系的离散粒子作为模拟记录的节点，利用这些任意分布在模拟空间各处的粒子求解物理规律的偏微分方程或积分方程。 常见的有光滑粒子流体动力学法（SPH），有限点法等。

在虚拟手术系统中，实现具有真实感又有实时性的血流模拟一直是一个难点。目前国内外提出的许多方法借助数值分析的方式来逼近流体运动。在流体运动仿真的领域中己经建立了几类具有竞争力的方法，这些方法根据自身特点都做了一定的折衷处理。其中基于物理的方法从一个流体场景的初始状态开始来仿真流体动力学。按照数值逼近纳维－斯托克斯（N-S，Navier-Stokes）方程的不同离散形式，基于物理的方法可细分为三类：格子玻尔兹曼方法LBM(Lattice Boltzmann Method)欧拉法和拉格朗日方法（如光滑粒子流体动力学方法SPH）。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于数据驱动的血流仿真方法，提供高精度、高真实感和实时性的仿真模型。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于数据驱动的血流仿真方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1:基于数据驱动的方法采集手术刀切割皮肤或器官时的血液流动信息数据，并生成流体动画；

步骤S2:根据生成的流体动画，采用光流法求解速度场数据；

步骤S3:根据所述速度场数据，进行手术刀与血流交互的局部区域仿真；

步骤S4:根据所述速度场数据，进行血流扩散的区域仿真；