一种基于扩展位置动力学的软组织变形和切割模拟方法技术

本发明专利技术提供一种基于扩展位置动力学的软组织变形和切割模拟方法，包括四个步骤：网格预处理阶段，根据原始三角形网格和四面体网格，计算每个顶点的纹理坐标和计算网格中边的集合，以及设置动力学模拟的参数，生成改进的四面体网格；软组织对象的变形计算阶段，根据网格顶点的当前位置和受力情况，按照扩展位置动力学计算下一帧中四面体网格顶点的位置；网格拓扑改变时的更新阶段，根据切割平面与网格交点的相交情况剖分原始四面体，更新几何模型(三角形网格)和扩展位置动力学模型的参数；视觉渲染和触觉渲染阶段，用于显示软组织几何模型并进行力觉渲染。本发明专利技术可真实模拟虚拟手术中切割软组织的过程，并具有较高的实时性。并具有较高的实时性。并具有较高的实时性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于扩展位置动力学的软组织变形和切割模拟方法


[0001]本专利技术涉及一种基于扩展位置动力学(extended position based dynamics)的软组织变形和切割模拟方法，属于虚拟手术


技术介绍

[0002]随着计算机硬件处理性能的提升，基于虚拟现实技术的手术模拟器得到了广泛研究。而变形和切割模拟是虚拟手术中的关键技术。模拟软组织变形和切割主要包含三方面内容：第一是使用合适的物理模型进行变形计算；第二是处理切割时物理模型与几何模型的耦合问题；第三是系统的碰撞检测、力反馈和控制等机制。在设计变形和切割算法时要同时考虑以上三个问题，保证系统具有较好的实时性和真实性。
[0003]切割模拟在虚拟手术中非常关键，尽管前人进行了深入的研究，但切割模拟到目前为止仍然是一个很有挑战性的问题。从物理计算模型角度可以将切割模拟划分为三类：第一类，基于有限元的方法，这种方法满足软组织的生物力学属性，易于并行处理，但计算量大，很难满足实时性要求；第二类，基于几何的方法，使用几何原理近似模拟物理属性，这种方法计算速度快，但变形效本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于扩展位置动力学的软组织变形和切割模拟方法，其特征在于，包括以下四个步骤：步骤(1)、根据输入的软组织模型三角形网格和四面体网格计算四面体网格的凸包，基于最近点原则设置四面体网格顶点的纹理坐标，遍历四面体网格，计算四面体网格中边的集合，得到包含纹理信息的四面体网格，对包含纹理信息的四面体网格设置扩展位置动力学模型的参数，作为构建的物理模型，完成四面体网格的预处理：所述设置扩展位置动力学模型的参数为拉力和体积，同时设定拉力约束和体积保持约束，其中拉力约束用来控制四面体网格中各边的长度变化，体积保持约束用来控制四面体网格中各四面体的体积变化；步骤(2)、根据四面体网格的顶点的当前位置和受力情况，利用扩展位置动力学模型存储四面体网格中全部顶点、边、面、四面体及约束条件信息，同时计算下一帧中四面体网格顶点的位置，依据扩展位置动力学模型中拉力约束和体积保持约束进行变形解算，计算四面体网格顶点的位置改变量，且每一帧均要根据拉力约束和体积保持约束进行变形计算，得到变形后的四面体网格；步骤(3)、根据相邻时间间隔解剖刀的位置生成切割平面，基于切割平面与四面体网格交点的相交情况剖分步骤(2)中变形后的四面体网格，向四面体网格中增加新点即边交点及面交点，并修改扩展位置动力学模型的参数设置，完成四面体网格的拓扑改变时的更新，产生分裂的子四面体的拉力约束和体积保持约束，得到更新后的四面体网格；步骤(4)、对步骤(3)中更新后的四面体网格进行三维显示，并对更新后的四面体网格重新计算受力，进行视觉渲染和力觉渲染。2.根据权利要求1所述的基于扩展位置动力学的软组织变形和切割模拟方法，其特征在于：所述步骤(1)具体实现如下：第一步，首先对三角形网格的每个顶点寻找最近的四面体网格的顶点，将四面体网格的顶点的纹理坐标设置为所述三角形顶点的纹理坐标，四面体网格包含软组织模型顶点的纹理信息；第二步，向四面体网格中的每个四面体添加边集与面集，生成面的集合与边的集合，其中边集合和面集合中的对象均是唯一的；在生成面的集合时判断该生成面被共享的次数，如果共享次数等于1，则标记该生成面为外表面，若共享次数小于1，则标记该生成面为内部面；第三步，计算每个四面体中边集的每条边中两个顶点的距离，设置拉力约束的拉力系数和静止距离，产生该条边的拉力约束；再计算四面体的体积，设置四面体体积保持约束中的约束系数和静止体积，产生体保持约束。3.根据权利要求1所述的基于扩展位置动力学的软组织变形和切割模拟方法，其特征在于：所述步骤(2)中，扩展位置动力学模型计算步骤如下：第一步，初始化四面体风格中四面体每个顶点的位置P
i
和速度V
i
；第二步，在每个时间间隔Δt中，按照公式(1)更新顶点的速度；V
′
i
＝V
i
+FΔtw
i
+Damp(V
i
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，V
′
i
是更新后的速度，F是外力，w
i
＝1/m
i
，m
i
是该顶点的质量，Damp(*)是阻尼函数，i是顶点序号；然后预测顶点位置P
′
i
，如下所示：
P
′
i
＝P
i
+V
′
i
Δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)第三步，以预测位置P
′
i
为参数，遍历所有约束条件，并通过迭代方法求解，得到更新后的位置信息P
″
i
；第四步，按照公式(3)和(4)更新最终的位置和速度：P
it
＝P
″
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)V
it
＝(P
it
‑
P
i
)/Δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)第五步，开始下一时间间隔的计算，返回第二步，更新顶点的速度并预测位置；位置改变量ΔP
i<...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘俊君，蒋云，
申请(专利权)人：苏州迪威视景数字科技有限公司，
类型：发明
国别省市：