[发明专利]一种基于CycleGAN的虚拟切割方法

说明书

本发明提出了一种基于CycleGAN的虚拟切割方法，包括以下步骤：S1、基于无网格方法建立弹性软组织模型虚拟切割力的方程；S2、基于准线性粘弹性模型建立非线性粘弹性软组织模型虚拟切割力的方程；S3、根据碰撞点确定虚拟切割面；S4、基于磁性氧化网格模型得到虚拟切割的综合外力，并计算非线性粘弹性软组织模型虚拟切割的位移；S5、基于CycleGAN实时更新虚拟切割中软组织模型贴图。本发明方法引入了粘弹性和磁性氧化模型，可以更好地实现力的反馈并能使手术医生把控手术进程，基于CycleGAN实时更新模型贴图，增加了虚拟手术的真实性。

技术领域

本发明涉及一种基于CycleGAN的虚拟切割方法，属于虚拟切割技术领域。

背景技术

近年来，随着虚拟现实技术的不断发展，通过虚拟现实平台模拟手术训练变得可能。虚拟手术给医护人员提供了极大的便利，他们可以通过虚拟手术技术进行反复的模拟练习，提升自己的医疗水平。目前的虚拟手术通过建模、渲染、计算等方法模拟手术的过程，并呈现在虚拟现实平台上，建模时往往使用有限元模型、无网格模型等模型。

然而，目前虚拟手术技术考虑的方面仍不够全面，真实性远远不足。在做力的反馈时，血肉对刀具的挤压力以及该过程中的粘弹性对手术的操作有着较大的影响，但是目前还很少有将这些纳入虚拟切割的过程中；此外，真实手术中，切割开的血肉与空气接触过久容易引发感染，所以手术对时间的要求很高，然而目前的虚拟手术贴图更新同步性不够，缺乏有感染、腐烂的贴图，手术真实性下降。

发明内容

针对目前虚拟手术对作用力考虑不够全面、真实性不足的问题，本发明提出了一种基于CycleGAN的虚拟切割方法，在虚拟切割过程中引入非线性粘弹性、切割排斥力、软组织萎缩力等，使虚拟切割过程更加准确真实，同时利用CycleGAN模型更新虚拟切割中的贴图，给使用者更好的视觉体验。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：

一种基于CycleGAN的虚拟切割方法，具体包括以下步骤：

S1、基于无网格方法建立弹性软组织模型虚拟切割力的方程；

S2、基于准线性粘弹性模型建立非线性粘弹性软组织模型虚拟切割力的方程；

S3、根据碰撞点确定虚拟切割面；

S4、基于磁性氧化网格模型得到虚拟切割的综合外力，并计算非线性粘弹性软组织模型虚拟切割的位移；

S5、基于CycleGAN实时更新虚拟切割中软组织模型贴图。

进一步的，步骤S1中在弹性软组织模型中任一点进行虚拟切割，施加力f满足以下方程：

其中，f表示切割力，E表示杨氏模数，▽U_i表示软组织模型中任一点i的梯度，▽U表示软组织模型U的梯度。

进一步的，步骤S2中虚拟切割力的方程为：

其中，f_i(t+Δt)表示t+Δt时刻在任一点i处的虚拟切割力，v_i表示施加在点i上的速度矢量，σ_i(t+Δt)表示t+Δt时刻在任一点i处的应力，▽u_i表示点i处的梯度，ε_i(t+Δt)表示t+Δt时刻在任一点i处的应变张量。

进一步的，步骤S3的具体操作如下：

S31、虚拟切割中有η个碰撞点，碰撞点j的坐标为P_j(x_j,y_j,z_j)，j∈[1,η]，根据平面方程一般式Ax+By+Cz+D＝0构建切割面方程：