一个虚拟手术系统中的实时模拟软组织物体形变系统，属于图形处理技术领域。本发明专利技术中：边界元模块首先为形变物体建立物理模型，划分物体表面网格单元，对边界积分方程进行离散化并求解出每个网格单元的形变向量。形状匹配模块根据划分好的网格单元，对每一个网格单元的形变位置和初始位置建立一一映射关系，根据网格单元的位置和物体材料属性建立运动学方程，计算物体的形变回复形状。有限状态机在软组织物体形变过程中，对物体的受力状态进行分析，并通过基本状态之间的切换来控制当前使用的形变运算模块。本发明专利技术实现了在交互式系统中实时并且精确对软组织形变进行模拟，特别是虚拟手术系统中手术器械与软组织交互变得更精确，更快速。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的是一种图形处理
的实时模拟物体形变系统，特别是 一种虚拟手术系统中形变物体的实时模拟系统。技术背景随着科学技术的高速发展，高科技医疗设备的不断涌现为医疗的现代化提 供了越来越多的帮助。虚拟手术平台的建立在医生的培训、手术导航等方面起 到重要作用。在虚拟手术训练中，医生需要通过控制虚拟环境中的手术器械来 对虛拟的人体器官、血管、软组织等进行操作。在这种交互过程中，模拟虚拟 器官、组织在手术器械操作下的形变情况是虚拟手术系统中重要的一部分。一 个精确，实时的模拟软组织器官形变系统能够很大程度上提升手术系统的真实 性和实用性。尽管对软组织形变模拟的研究在虚拟现实和计算机图形学领域有着很长的 历史，这些研究成果在虚拟手术领域的应用并不广泛。这其中的主要原因是创 建一个形变模拟系统框架需要同时具有处理形变精确性模块和处理形变实时性 模块。 一方面，在计算机上进行手术训练不同于其他诸如视频游戏之类的人机 交互应用，训练者是以掌握一种真实的操作技术为目的的，因此他们需要训练 系统能够提供和真实手术中非常类似甚至完全一样的反馈信息，这其中包括视 觉信息(软组织的移动和变形)和触觉信息(通过器械感受到的反馈力)。形变 模拟系统大多数只具有其中之一的模块，因此很难完整的模拟手术中的器官形 变。经过对现有技术的文献检索发现，Doug James等在《Co迈puter Graphics Proceedings》(计算机图形学学报)，Annual Conference Series, ACM SIGGRAPH99 (ACM SIGGRAPH99年度会议系列)的65—72页上发表的"Artdefo， accurate real time deformable objects" (Artdefo，精确实时的形变物体)中提出了一个基于边界元法的形变物体实时模拟系统Artdefo。该系统从边界元 计算的角度对物体形变进行处理，有效的解决了模拟精确性的问题。但是，在 系统的实时性能方面该模拟系统还存在着计算效率低，系统交互性不够的不足。综上所述，设计一个同时兼顾精确性和实时性的形变模拟系统，对虚拟手 术中的器官形变模拟至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种虚拟手术系统中形变 物体的实时模拟系统，使其能够在实时的条件下精确模拟出软组织器官的受力 情况和形变情况。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括边界元模块、形状匹配 模块、有限状态机，其中边界元模块和形状匹配模块共同模拟软组织物体的 形变，有限状态机分析物体的受力状态并且切换形变的计算模式，其中所述边界元模块首先为形变物体建立物理模型，划分物体表面网格单元，对边界积分方程进行离散化并求解出每个网格单元的形变向量；边界元模块是形变模拟系统中负责系统精确性的模块，它由有限状态机在需要精确形变模拟的 情况下进行调用，并接受形变物体的当前的空间信息作为输入信息，通过模块 中的偏微分方程处理和形变向量计算，对形变物体进行精确模拟。所述形状匹配模块根据划分好的网格单元，对每一个网格单元的形变位置和 初始位置建立一一映射关系，根据网格单元的位置和物体材料属性建立运动学方程，计算物体的形变回复形状；形状匹配处理模块是形变模拟系统中负责系 统实时性的模块，它由系统状态机在不需要精确形变模拟的情况下进行调用， 并接受形变物体的当前位置状态作为输入信息，通过模块中的点集映射和运动 模拟处理，对形变物体进行实时处理。所述有限状态机在软组织物体形变过程中，对物体的受力状态进行分析， 并通过基本状态之间的切换来控制当前使用的边界元模块和形状匹配模块。有 限状态机通过调用边界元模块，把系统的当前状态输入该模块中进行形变的精 确计算。在系统资源不足或者需要交互性很高的情况下，状态机切换到形状匹 配模块，以该模块的对内存和CPU的低消耗来实现实时性的特点。所述的有限状态机控制系统模块之间的通信和协作。该状态机把一个软组织物体的受力形变过程划分为三个基本状态平衡状态、形变状态和回复状态。 在平衡状态中，软组织物体的形状处于受力稳定的状态，形状不发生改变。在 形变状态中，作用在物体表面某边界单元的外力被检测到，并根据高斯分布函 数分布在表由外部输入指定的局部范围的单元内。有限状态机此时调用边界元 模块开始计算物体的表面形变和受力大小。在回复状态中，物体不再受外力作 用，但物体的表面形状不处于平衡状态，形变物体在内力的作用下回复成平衡 状态的形状。有限状态机通过分析形变物体表面单元的受力情况，在三个基本 状态之间切换，并调用该状态所对应的边界元模块和形状匹配模块计算表面形 变。所述有限状态机在检测到一个新外力加载在物体表面时把当前状态转到形 变状态，并调用边界元模块精确计算形变和反馈力。在外力从物体表面移除时， 有限状态机的当前状态转到回复状态，并调用形状匹配模块计算形变的恢复过 程。当形变物体回到平衡位置时，有限状态机的当前状态转到平衡状态，此时 不调用计算模块，释放之前计算所用的内存资源。所述边界元模块和形状匹配模块的系统复杂度不同，在系统上层调度过程 中所分配的时间也不同。边界元模块是建立在实时求解偏微分方程基础上的计 算模块，模拟形变的准确度高，反馈力分析精确，所耗费的系统CPU资源和内存资源都很高。形状匹配模块是一个建立在动力学弹簧基础上的处理模块，可 以快速匹配物体的形变形状和平衡形状，模拟形变中的形状恢复过程，系统处 理速度很快，不需要使用额外的内存空间。所述的边界元模块首先为形变物体建立物理模型。物体形变的数学模型是 基于弹性力学中线弹性物体的纳维方程来描述了物体的形变位移和所受外力之间的关系。对作用在物体整个体区域内的纳维方程，把Navier方程进行边界化， 从而把弹性物体整个体空间的三维问题转化为局限于物体表面的二维问题。所述的边界元模块在为形变物体建立物理模型之后，接收从系统外部读取 的医学数据模型文件，把物体的表面划分为一系列互不重叠的三角片。这种表 面划分方式和虚拟手术所需要用的图形渲染接口诸如VTK， OpenGL或者DirectX 的模型划分方式是一致的，这样也避免了额外的数据结构和存储开销。在划分 了物体表面网格之后，就把一个连续的物体表面划分为了一系列个离散的边界单元。然后对其中的每一个单元应用上面提到的边界积分方程，根据不同的边 界条件，把边界单元的位移或受力作为未知量，从而建立起了一个可由计算机 进行求解的线性方程组。所述边界元模块使用形变基向量的方法来提高系统处理方程组的速度。形 变基向量方法的关键点是在实时计算之前对系数矩阵进行预计算，从而把计算 复杂性很高的解线性方程组操作转化为矩阵向量的乘法操作.在刷新形变向量 基的时候，只需把矩阵向量中的非零元素或值发生变化的元素提取出来进行矩 阵向量乘法操作，在维数很大的情况下可以大大的提高计算效率。在求得了形 变基向量之后，根据形变物体的线性特点，对这些向量进行简单的线性缩放操 作，就可以快速求得不同外力作用于物体同一位置的情况下物体不同的形变情 况。所述形状匹配模块，当外力从软组织物体上移除时，软组织需要回复到从 前的形状，形状匹配模块对这一过程的模拟使用了无网格形本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种虚拟手术系统中形变物体的实时模拟系统，其特征在于，包括：边界元模块、形状匹配模块、有限状态机，其中：边界元模块和形状匹配模块共同模拟软组织物体的形变，有限状态机分析物体的受力状态并且切换形变的计算模式，其中：所述边界元模块首先为形变物体建立物理模型，划分物体表面网格单元，对边界积分方程进行离散化并求解出每个网格单元的形变向量；边界元模块是形变模拟系统中负责系统精确性的模块，它由有限状态机在需要精确形变模拟的情况下进行调用，并接受形变物体的当前的空间信息作为输入信息，通过模块中的偏微分方程处理和形变向量计算，对形变物体进行精确模拟；所述形状匹配模块根据划分好的网格单元，对每一个网格单元的形变位置和初始位置建立一一映射关系，根据网格单元的位置和物体材料属性建立运动学方程，计算物体的形变回复形状；形状匹配处理模块是形变模拟系统中负责系统实时性的模块，它由系统状态机在不需要精确形变模拟的情况下进行调用，并接受形变物体的当前位置状态作为输入信息，通过模块中的点集映射和运动模拟处理，对形变物体进行实时处理；所述有限状态机在软组织物体形变过程中，对物体的受力状态进行分析，并通过基本状态之间的切换来控制当前使用的边界元模块和形状匹配模块，有限状态机通过调用边界元模块，把系统的当前状态输入该模块中进行形变的精确计算，在系统资源不足或者需要交互性很高的情况下，有限状态机切换到形状匹配模块，以该模块的对内存和ＣＰＵ的低消耗来实现实时性的特点。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：顾力栩，朱博，张静思，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[]
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