一种基于位置动力学和生物热传导方程的实时软组织灼烧仿真方法技术

本发明专利技术提供一种基于位置动力学和生物热传导方程的实时软组织灼烧仿真方法，以四面体模型为基础，在灼烧过程中，使用了位置动力学方法驱动模型，以生物热传导方程为物理依据，根据电刀产生的能量输入和生物组织特性，实时计算模型表面温度并更新相应的约束拓扑，最后更新灼烧点附近的局部渲染纹理。本发明专利技术包含四个步骤，第一，预处理过程，读取模型文件的同时要进行一些初始化操作；第二，变形过程，通过基于位置动力学的方法进行模型驱动；第三，灼烧过程，实时计算电刀灼烧点附近的电势场及温度场，并更新相应的拓扑约束；第四，渲染过程，对第二和第三过程中的模型进行渲染。本发明专利技术可真实模拟虚拟手术中切割软灼烧的过程，并具有较高的可控性和实时性。

A real-time soft tissue burning simulation method based on position dynamics and biologic heat conduction equation

The present invention provides a real-time simulation method of soft tissue burning dynamics and biological heat conduction equations of position based on the tetrahedron model as the foundation, in the burning process, using the dynamic method of position driven model to bio heat equation for the physical basis of energy input and characteristics of biological tissue based on electric knife, real time calculation model the surface temperature and the corresponding constraint topology update, the last update burning near the local texture rendering. The invention consists of four steps: first, pre process, read the model files at the same time to carry out some initialization operation; second, the deformation process, driven by the model method based on dynamics; third, burning process, electric field and temperature field near real-time calculation of electric knife burning point, and update the corresponding topological constraints; fourth, the rendering process for rendering the model in the process of second and third. The invention can simulate the process of cutting soft burning in virtual operation, and has high controllability and real time.

【技术实现步骤摘要】
一种基于位置动力学和生物热传导方程的实时软组织灼烧仿真方法
本专利技术涉及一种基于位置动力学和生物热传导方程的实时软组织灼烧仿真方法，属于虚拟手术
，也可以应用于相关的领域，包括动画和游戏等。
技术介绍
腹腔镜手术是现代医疗常用的方法之一，在救治病人方面有着极其重要的意义。然而很多新手医师都需要经过很多的训练才能熟练操作，现在国内医院的手术训练多数是使用替代品，使用替代品存在着不准确和来源较少的缺点。随着计算机技术的不断发展，虚拟现实技术慢慢的出现在大众的视野中，也为医疗手术的训练带来了新的方法，这就是虚拟腹腔镜手术。现实中手术包括很多操作，比如碰触，切割，止血，缝合等操作。虚拟手术中，人们也希望尽量实现所有的这些交互。一般对虚拟手术的建立过程包括建模，变形驱动，切割，缝合等，不同部位的器官根据其特征再添加一些更多的真实感的内容，比如血液，血管等。在扫描得到器官的表皮模型后，将为其建模一个体模型，常用的体模型有四面体模型，六面体模型，元球模型，粒子模型等；驱动则是在模型上添加物理或者几何驱动方法，常用的有质点弹簧方法，有限元方法，无网格方法等；切割和缝合则是拓扑上改变的一些处理。在现有的软组织灼烧仿真技术从形变仿真算法上主要分为两类，基于有限元形变仿真算法的软组织灼烧仿真和基于几何形变算法的软组织灼烧仿真，从灼烧仿真算法上主要分为两类，基于热力学的软组织灼烧仿真和基于几何的软组织灼烧仿真。本专利技术提出一种基于位置动力学的形变算法和基于生物热传导的灼烧仿真方法，在灼烧仿真中引入了生物特性，提高了灼烧计算的物理准确性同时又避免有限元等过度的物理计算负担。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：传统方法的灼烧仿真不是基于物理的，虽然速度快但是不够物理准确，本专利技术采用一种基于生物热传导方程的方法以电流数据和器官生物数据作为输入，物理准确地计算器官的温度分布，同时，本专利技术采用的局部更新贴图和拓扑的方法能够有效解决计算量太大影响虚拟手术实时性的问题。本专利技术采用的技术方案为：一种基于位置动力学和生物热传导方程的实时软组织灼烧仿真方法，以四面体模型为基础，在灼烧过程中，同时使用了位置动力学驱动模型，为了解决物理准确且快速计算的问题，采用了一种基于生物热传导方程计算后局部更新纹理和拓扑的模式。该方法包含四个步骤，第一，预处理过程，读取模型文件的同时要进行一些初始化操作；第二，变形过程，通过基于位置动力学的方法进行模型驱动；第三，灼烧过程，使用混合驱动的方法驱动模型，利用热传导模型计算温度并更新纹理和拓扑；第四，渲染过程，对第二和第三过程中的模型进行渲染。本专利技术可真实模拟虚拟手术中灼烧软组织的过程，并具有较高的可控性和实时性。本专利技术具体包括以下四个步骤。第一步，预处理过程，读取需处理的模型，所述模型包括四面体和表面模型及其纹理，四面体模型作为物理模型驱动变形，表面模型用于视觉渲染；此外预处理过程还要进行渲染环境和驱动算法的初始化；第二步，变形过程，根据第一步读取模型中的数据，做位置动力学方法驱动，如果电刀和模型产生了碰撞，则在计算变形之前先进行灼烧模拟以更新拓扑约束，否则直接计算变形；第三步，灼烧过程，根据第二步中的电刀与模型间的碰撞检测结果决定是否进入灼烧过程，如果发生碰撞，则先根据电刀的输入功率计算接触点附近的电势场和温度场，然后取出接触点附近的纹理贴图，根据温度进行更新，最后遍历四面体物理模型中的所有约束，根据相应的规则更新或者删除约束，并完成更新接触点附近定点的状态后，再继续第二步中的变形过程；第四步，渲染过程，包括视觉和触觉渲染，根据第二步的变形结果和第三步的纹理更新结果进行视觉图像渲染，如果检测到工具和模型的碰撞则根据工具尖端进入模型的深度计算力反馈进行触觉渲染。所述第一步，预处理过程，具体实现如下：(1)读入三种类型的文件，所述三种类型的文件为标准三角面片OBJ文件，标准纹理图片TGA文件和自定义四面体模型TET文件，其中TET文件是通过OBJ文件生成的，TET文件提供四面体信息，包括四面体定点的位置、四面体中的拉伸和体积约束信息；OBJ文件按照通用方式存储了三角面片的顶点信息和面片信息；TGA文件存放纹理信息；所述三种文件中的数据读取后分别用相应的数据结构存储；(2)绑定四面体模型和表面三角网格，使得每个三角网格顶点都可以根据一个对应的四面体模型更新位置，对于每个三角网格中的顶点，先找到所属的四面体，使得该顶点在所属四面体的内部，然后计算出该顶点相对于所属四面体四个顶点的中心坐标，记录在相应的数据结构中；(3)渲染环境初始化，包括搭建OpenGL渲染环境和3D触觉设备PhantomOmni的渲染环境初始化；(4)驱动方法初始化，包括基于位置的动力学方法和生物热传导的参数和依赖变量的初始化。所述第二步，变形过程，具体实现如下：(1)由第一步读取得到的四面体网格数据，以及拉伸约束、四面体体积约束、表面扭转约束数据，在每个时间步长结束时计算更新顶点的状态。其中，拉伸约束、四面体体积约束和表面扭转约束的表达式分别为：Cstretch(p1，p2)＝|p1-p2|-d0，其中，分别为初始状态下拉伸约束中两点的距离、体积约束中四面体体积和扭转约束中二面角角度。所述第三步，切割过程，具体实现如下：(1)当电刀尖端碰到器官表面时，根据接触点的位置，找到并取出接触点附近的器官局部纹理贴图；(2)根据步骤(1)获取的局部贴图，找对对应的电势分布区域，然后由拉普拉斯方程和生物表面热损失边际条件计算更新局部电势分布；(3)将步骤(2)更新的局部电势分布，带入到表面生物热传导方程中，计算并更新局部表面的温度分布；(4)根据步骤(3)更新的局部温度分布，按照灼烧的视觉渲染规则更新局部的纹理贴图，此处更新的局部纹理是256*256分辨率的，在后续的GLSL渲染中可以连续而自然地渲染出灼烧的焦黄的效果；(5)更新拓扑，根据局部范围内顶点的温度与阈值的比较情况可以按照一定规则更新各类约束的状态和表面三角面片的渲染开关；(6)权利要求4的时间逻辑：步骤(1)的执行时间点是电刀尖端与器官表面发生碰撞，接下来顺序执行步骤(2)和步骤(3)，然后步骤(4)更新局部贴图与步骤(5)更新局部拓扑并行进行。所述第四步，渲染过程，具体实现如下：(1)模型表面三角网格的视觉渲染，根据初始化绑定的四面体信息，更新三角网格的位置，然后进行GLSL纹理渲染，包括漫反射纹理，高光纹理和凹凸纹理，渲染时使用的漫反射贴图会在按照权力要求4中所述的相关步骤进行局部更新，且仅渲染开关为打开的三角面偏；(2)触觉渲染，当电刀尖端与器官表面发生碰撞时，进行触觉渲染，反馈力的大小与电刀尖端到器官表面接触点切平面的距离成正比，反馈里的方向为器官表面接触点切平面的外法向量方向；(3)体绘制，当打开体绘制开关时，会对四面体模型的基本状态进行点线绘制，并且对最新的拓扑约束状态以不同的颜色进行绘制，电刀尖端与器官表面发生碰撞时，对接触点所在的三角面片进行特殊的绘制。本专利技术与现有技术相比的优点在于：从灼烧仿真的物理准确性角度讲，本专利技术采用基于生物热传导方程的模型，以输入的电流能量和器官生物特性数据为依据，更新接触点附近的器官表面电势场和温度场，比一些传统得几何方法更加物理准确，且本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于位置动力学和生物热传导方程的实时软组织灼烧仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，预处理过程，读取需处理的模型，所述需要处理的模型包括软组织四面体模型、软组织表面模型及电刀表面模型；软组织四面体模型包含软组织四面体模型的顶点信息及四面体拓扑信息，软组织表面模型包括软组织表面模型的顶点信息、三角面片信息和纹理贴图；四面体模型作为物理模型用基于位置动力学方法驱动变形和基于生物热传导方程的灼烧，表面模型用于仿真过程中的视觉渲染；同时预处理过程还要进行表面模型渲染环境和四面体模型形变驱动算法的初始化，包括初始化OpenGL渲染环境摄像机、光照参数和软组织的生物属性参数，软组织四面体模型拓扑约束的初始化和软组织四面体模型与软组织表面模型的绑定初始化；软组织四面体模型拓扑约束包括三种拓扑约束，分别为拉伸约束，四面体体积约束和表面扭转约束；第二步，变形过程，在第一步预处理过程之后，进入到形变过程，在形变过程的每一次物理仿真计算步中，根据第一步读取的软组织四面体模型、软组织表面模型和第一步初始化的软组织四面体模型拓扑约束，做基于位置动力学方法驱动变形，对电刀模型和软组织表面模型进行碰撞检测，如果电刀模型和软组织表面模型进行碰撞检测结果为发生碰撞，则在计算变形之前先进行灼烧模拟以更新拓扑约束，否则直接计算变形，最后更新软组织四面体模型和软组织表面模型；第三步，灼烧过程，根据第二步中的电刀模型与软组织表面模型间的碰撞检测结果决定是否进入灼烧过程，如果电刀与软组织表面模型发生碰撞，则先根据电刀的输入功率计算电刀模型与软组织表面模型接触点附近的电势分布和温度分布，然后提取出电刀模型和软组织表面模型接触点附近的纹理贴图，根据纹理贴图中的温度分布基于生物热传导方程计算电刀模型和软组织表面模型接触点附近的温度分布，并更新电刀模型和软组织表面模型接触点附近的纹理贴图，最后遍历软组织四面体模型中的所有拓扑约束，根据更新的纹理贴图，更新拓扑约束，再继续第二步中的变形过程；第四步，渲染过程，在每次第二步物理仿真计算步更新数据后或第三部更新的纹理贴图后进入渲染过程，所述渲染包括视觉渲染和触觉渲染，根据第二步中物理仿真计算步更新的数据和第三步中更新的纹理贴图进行视觉渲染，如果检测到电刀模型和软组织表面模型的碰撞，则根据电刀模型的尖端进入软组织表面模型的深度，计算力反馈力进行触觉渲染；在调试物理仿真时，还需要对软组织四面体模型进行绘制，电刀模型尖端与软组织表面模型发生碰撞时，对碰撞时的接触点所在的三角面片进行绘制。...

【技术特征摘要】
1.一种基于位置动力学和生物热传导方程的实时软组织灼烧仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步，预处理过程，读取需处理的模型，所述需要处理的模型包括软组织四面体模型、软组织表面模型及电刀表面模型；软组织四面体模型包含软组织四面体模型的顶点信息及四面体拓扑信息，软组织表面模型包括软组织表面模型的顶点信息、三角面片信息和纹理贴图；四面体模型作为物理模型用基于位置动力学方法驱动变形和基于生物热传导方程的灼烧，表面模型用于仿真过程中的视觉渲染；同时预处理过程还要进行表面模型渲染环境和四面体模型形变驱动算法的初始化，包括初始化OpenGL渲染环境摄像机、光照参数和软组织的生物属性参数，软组织四面体模型拓扑约束的初始化和软组织四面体模型与软组织表面模型的绑定初始化；软组织四面体模型拓扑约束包括三种拓扑约束，分别为拉伸约束，四面体体积约束和表面扭转约束；第二步，变形过程，在第一步预处理过程之后，进入到形变过程，在形变过程的每一次物理仿真计算步中，根据第一步读取的软组织四面体模型、软组织表面模型和第一步初始化的软组织四面体模型拓扑约束，做基于位置动力学方法驱动变形，对电刀模型和软组织表面模型进行碰撞检测，如果电刀模型和软组织表面模型进行碰撞检测结果为发生碰撞，则在计算变形之前先进行灼烧模拟以更新拓扑约束，否则直接计算变形，最后更新软组织四面体模型和软组织表面模型；第三步，灼烧过程，根据第二步中的电刀模型与软组织表面模型间的碰撞检测结果决定是否进入灼烧过程，如果电刀与软组织表面模型发生碰撞，则先根据电刀的输入功率计算电刀模型与软组织表面模型接触点附近的电势分布和温度分布，然后提取出电刀模型和软组织表面模型接触点附近的纹理贴图，根据纹理贴图中的温度分布基于生物热传导方程计算电刀模型和软组织表面模型接触点附近的温度分布，并更新电刀模型和软组织表面模型接触点附近的纹理贴图，最后遍历软组织四面体模型中的所有拓扑约束，根据更新的纹理贴图，更新拓扑约束，再继续第二步中的变形过程；第四步，渲染过程，在每次第二步物理仿真计算步更新数据后或第三部更新的纹理贴图后进入渲染过程，所述渲染包括视觉渲染和触觉渲染，根据第二步中物理仿真计算步更新的数据和第三步中更新的纹理贴图进行视觉渲染，如果检测到电刀模型和软组织表面模型的碰撞，则根据电刀模型的尖端进入软组织表面模型的深度，计算力反馈力进行触觉渲染；在调试物理仿真时，还需要对软组织四面体模型进行绘制，电刀模型尖端与软组织表面模型发生碰撞时，对碰撞时的接触点所在的三角面片进行绘制。2.根据权利要求1所述的一种基于位置动力学和生物热传导方程的实时软组织灼烧仿真方法，其特征在于：所述第一步，预处理过程，具体实现如下：(1)读入三种类型的模型，即软组织四面体模型、软组织表面模型及电刀表面模型；所述三种模型中的信息读取后分别存入内存中；(2)四面体模型与软组织表面模型的绑定初始化，使得每个三角网格顶点根据一个对应的四面体模型更新位置，对于每个三角网格中的顶点，先找到所属的四面体，使得该顶点在所属四面体的内部，然后计算出该顶点相对于所属四面体四个顶点的中心坐标，存入内存中；(3)渲染环境初始化，包括搭建OpenGL渲染环境和3D触觉设备PhantomOmni的渲染环境初始化；(4)四面体模型中拓扑约束初始化，拉伸约束，四面体体积约束和表面扭转约束；拉伸约束、四面体体积约束和表面扭转约束的表达式分别为：Cstretch(p1,p2)＝|p1-p2|-d0,其中，pi为下标为顶点位置向量，i＝1，2，3，4；Cstretch，Cvolume，Cbending分别为拉伸约束、四...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘俊君，隋愿，郝爱民，
申请(专利权)人：北京众绘虚拟现实技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11