[发明专利]一种基于八叉树网格的有限元模型的软组织变形方法

摘要

本发明提供一种基于八叉树网格的有限元模型的软组织变形方法。本发明方法，包括：绘制软组织的三维模型，基于AABB法构建多个均匀的六面体网格，在六面体网格基础上基于八叉树的网格生成算法生成八叉树网格，对六面体网格进行有限元方法建模，求解软组织的变形过程，将相邻单元节点上的单元刚度矩阵组装成离散域的总刚度矩阵，在动力平衡情况下通过时间积分对各矩阵的数值求解动力平衡微分方程，得到随时间变化的节点位移，通过对节点位移的渲染，显示软组织受力变形场景。本发明逼真的模拟虚拟手术中任意形状软组织表皮受拉力变形的过程，有很高的实时性，减少了计算量，解决了以往有限元网格数量复杂，不能实时仿真软组织变形过程的问题。

主权项

1.一种基于八叉树网格的有限元模型的软组织变形方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、绘制软组织的三维模型，基于轴对齐边界包围盒法，即AABB法，构建多个均匀的六面体，并过滤掉中心不在软组织几何模型空间的六面体；S2、基于BON八叉树原理，创建BON八叉树，对各六面体编号，依次判断三维模型顶点是否在六面体内部，若是，则不属于边界元；若否，则表明三维模型顶点在六面体边界上，将该顶点插入对应的最底层六面体的八叉树结构中；S3、判断三维模型顶点组成的三角网格是否共面，若是，则删除两个三角形的公共点，将原本的两个三角形转换为大三角形，将两个相邻六面体合并为中型六面体，提取合并后的中型六面体的边界点，直到所有相邻三角形不共面、不能进行收缩为止，进而得到最终的六面体网格；S4、对最终的六面体网格进行有限元方法建模，求解软组织的变形过程，具体包括：通过应力平衡方程的积分形式与材料的本构关系相结合，建立各个有限元的节点的位移和载荷之间的表达式，从而得到单元刚度矩阵；S5、将相邻单元节点上的单元刚度矩阵、单元阻尼矩阵、单元质量矩阵组装成离散域的总刚度矩阵、总阻尼矩阵、总质量矩阵，在动力平衡情况下对各矩阵的数值求解动力平衡微分方程，得到随时间变化的节点位移；S6、通过对节点位移的渲染，不断更新软组织受力变形场景。