一种基于元球模型的软组织形变方法技术

本发明专利技术提出了一种基于元球模型的软组织形变方法，包括四个步骤：元球模型拓扑结构的构建阶段，使用Bradshow Gareth球树生成算法，根据原始网格模型生成维诺图，进而生成元球模型，通过设置阈值的方法构建其拓扑结构；元球模型形变计算阶段，使用Position Based Dynamic(PBD)算法结合Laplacian坐标约束来模拟软组织体模型的形变过程；软组织模型的蒙皮阶段，对体模型中的元球分别建立其距离场函数，将体模型和表皮网格模型建立映射关系，实现蒙皮过程；真实感绘制及实时触觉渲染阶段，根据软组织物理形变进行真实感绘制，并基于Geomagic Touch力反馈设备进行实时触觉渲染。本发明专利技术可真实模拟虚拟手术中软组织的形变过程，具有物理真实感强，实时性好的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
随着虚拟现实（Virtual Reality，VR)技术在医学领域应用的不断拓展和深入，虚 拟手术（Virtual Surgery)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（Blobby model、Metaballs)在呈现和表达这样的形体时 具有天然的优势。因此，本专利技术提出了。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。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：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。该方法满足了软组织渲染 的真实性和形变迭代的实时性。 本专利技术采用的技术方案为：，包括以下四个 步骤： 步骤（1)、元球模型拓扑结构的构建：通过Bradshow Gareth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Position Based Dynamic(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Geomagic Touch力反馈设备实现触觉植染，并保证在此过程的实时性。 本专利技术的原理在于： (1)为了实现软组织的连续、光滑、圆润的特性，本专利技术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Position Based Dynamic(PBD)算法的局限性，本专利技术使用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，本专利技术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，本专利技术使用了 Geomagic Touch力 反馈设备来进行手术器械的真实感绘制和触觉渲染。 本专利技术与现有技术相比的优点在于： 1、本专利技术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、本专利技术提出的将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、本专利技术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Geomagic Touch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； 图5 (a):肝脏形变模拟的实验结果图，渲染半透明元球模性和其拓扑结构； 图5 (b):肝脏形变模拟的纹理表面的实验结果图； 图6(a):胆囊形变模拟的实验结果图； 图6(b):小肠形变模拟的实验结果图； 图6 (c):胃形变模拟的实验结果图； 图7 (a):基于有限元算法对肝脏形变模拟的实验结果图； 图7 (b):基于弹簧质子模型对肝脏形变模拟的实验结果图； 图7 (c):基于传统PBD算法对肝脏形变模拟的实验结果图； 图7(d):基于专利技术对肝脏形变模拟的实验结果图。【具体实施方式】 图1给出了基于元球模型的软组织形变方法的处理流程，下面结合其他附图及具 体实施方式进一步说明本专利技术。 本专利技术提供，主要步骤如下： 1、元球模型拓扑结构的构建及其优化法 首先使用Bradshow Gareth球树生成算法，根据原始三角形网格模型（图2a)生 成维诺图，根据维诺图，生成需要的元球模型，如图2b所示；图2c显示了网格模型和元球模 型在一起的比较结果。 在已得到元球模型的基础上，对其构建拓扑结构，以下是其构建算法。 对于元球i，中心是C1，与其拓扑相连的点函数定义为： 其中，N是规定阈值，num(i)是与元球重叠的元球数量。L函数指与元球i重叠的 元球全部定义为拓扑连接，L'是指距离i最近的N个元球定义为其拓扑连接。由此算法构 建的拓扑结构如图3所示： 其中，图3a是表皮模型和元球模型；图3b是在图3a的基础上添加拓扑结构，图3c 是只有表皮模型的情况下的拓扑结构。 2、元球模型形变计算 元球模型的形变模拟使用位置动力学：Position Based Dynamic(PBD)算法与 Laplacian坐标约束相结合的方法。 首先是PBD算法。PBD (Position Based Dynamic)是一种直接由位置计算形变的 启发式算法。在进行形变迭代时，不需要计算单元相互之间的加速度，只需要根据基于位置 的约束函数将每个顶点投射到合适的位置，而从当前位置到最终位置的该变量可以用约束 函数的梯度表示。 由于 PBD 的 Bending Constraints 和 Volume Constraints 的局限性，本文方法只 能采用其中的Stretch Constraints (拉伸约束）。 图4给出了 Stretch Constraints的示例。距离约束函数为： Cstretch(P11P2) = Ip1-P2I-Cl (3) 其中，d为顶点？1和p 2之间最初的原始距离，有式子可以得到，最终可以得到： 其中，W^w2为两个顶点的权重。 在形变过程中，只有PBD算法对其进行约束是不够的，因为其中的Stretch Constraint只能约束到2维，因此，还需要添加一个3维约束，这里我们就引进了 Laplacian Coordinates Constraint (Laplacian 坐标约束）。它的算法如下。 当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于元球模型的软组织形变方法，其特征在于包括以下四个步骤：步骤(1)、元球模型拓扑结构的构建：通过Bradshow Gareth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Position Based Dynamic(PBD),位置动力学算法,结合Laplacian坐标约束来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，最终完成表面网格的变形；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Geomagic Touch力反馈设备实现触觉渲染，并保证此过程的实时性。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵鑫，潘俊君，郝爱民，秦洪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11