[发明专利]一种基于球树的软组织物理建模方法

说明书

本发明公开了一种基于球树的软组织物理建模方法，包括以下步骤：通过Bradshow球树生成算法生成软组织的球树模型，通过设置阈值的方法构建软组织体模型的拓扑结构；将Projective Dynamics投影动力学算法与Laplacian坐标约束结合，对软组织球树模型的形变过程进行模拟；对软组织体模型中的球树分别建立距离场函数，将体模型中的球树和表皮模型建立映射关系，根据体模型的位置和映射关系，表皮模型在每次形变迭代中更新其位置，最终完成蒙皮模拟的过程。本发明的方法在对形变的模拟中能够同时保证其物理真实性和迭代实时性，从而解决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。

技术领域

本发明具体涉及一种基于球树的软组织物理建模方法。

背景技术

近年来，数字化医学影像为医生做出准确的诊断和制定完善的手术方案提供了非常有利的工具，而这一点和计算机学科的虚拟现实技术的融合，可以使医学手术变得更加直观，清晰，为医生提供方便的训练工具和高度可视化的手术环境。随着计算机虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)在医学中的广泛应用，数字化的医学影像的作用已经从人体组织器官解剖结构的无创伤检查，发展成为了用于手术计划与仿真，以及手术导航的基本工具。虚拟手术(Virtual Surgery)及VR手术模拟器开始进入人们的视野，受到广泛的关注。虚拟手术技术相对于传统手术环境来说，具有多项优点，如手术环境及器械响应可控，可重复演练等，医生借助VR手术模拟器进行手术训练及规划，可提高在临床上进行医学诊断、治疗的技能熟练程度和精确度，进而降低手术训练以及治疗的成本和风险，减轻患者的治疗痛苦、缩短滞院时间、降低医疗支出；减少医生培训教学中对动物和尸体的依赖，有效的解决手术教学中尸体短缺的问题。因此也成为了将来外科手术培训的主要发展趋势。

在虚拟手术中，技术的关键在于对人体组织器官进行精确的物理建模。目前已经将一些经典的力学模型，例如有限元和质子弹簧模型等应用到各类手术中，但是这些算法都有其不足之处，往往无法同时保证实时运算的速度和精确的模型表达。因此，寻找高效和具有精确表达能力的人体软组织物理建模方法是虚拟手术中最为关注的技术难题。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供了一种基于球树的软组织物理建模方法；本发明的方法可以在其对形变的模拟中同时保证其物理真实性和迭代实时性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于球树的软组织物理建模方法，包括以下步骤：

(1)构建球树模型拓扑结构：通过Bradshow球树生成算法生成软组织的球树模型，通过设置阈值的方法构建软组织体模型的拓扑结构；

(2)计算球树模型的形变：将Projective Dynamics投影动力学算法与Laplacian坐标约束结合，对软组织球树模型的形变过程进行模拟；

(3)软组织体模型的蒙皮算法：对软组织体模型中的球树分别建立距离场函数，将体模型中的球树和表皮模型建立映射关系，根据体模型的位置和映射关系，表皮模型在每次形变迭代中更新其位置，最终完成蒙皮模拟的过程。

进一步地，步骤(1)中所述的球树模型拓扑结构的构建中，在通过使用Bradshow球树生成算法生成软组织的球树模型的基础上，使用如下算法构建其拓扑结构：

对于球树i，中心是c_i，与其拓扑相连的点函数定义为：

其中，N是规定阈值，num(i)是与球树i重叠的球树数量，L函数指与球树i重叠的球树全部定义为拓扑连接，L′函数是指距离i最近的N个球树定义为其拓扑连接。

进一步地，步骤(2)中计算球树模型的形变方法中，使用Projective Dynamics(PD)算法与Laplacian坐标约束算法相结合的方法来对其进行形变模拟：