【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于计算机图形学和医学仿真交叉，具体为一种基于统计性光线追踪的心脏动态超声模拟方法。
技术介绍
1、超声成像是医学诊断和生物医学研究中常用的一种非侵入性影像技术，它利用高频声波在组织中的传播和反射来生成图像。这项技术在临床诊断、手术导航和医学教育中发挥着重要作用。
2、传统的光线追踪算法虽然已经能达到实时的效果，但由于组织器官的表面大多凹凸不平，而传统光线追踪的方法认为组织器官表面是完美的平滑表面，所以生成的超声图像会造成尖锐的硬阴影，而统计性的光线追踪是一种强大的计算机图形学技术，已被广泛用于模拟光线在虚拟场景中的传播和交互。将统计性的光线追踪方法应用于超声模拟中可以软化阴影，从而更逼真地模拟超声图像生成过程。
3、以往的超声成像方法只提到了针对静态场景的实现方案，没有针对心脏这种复杂的动态器官超声模拟做出优化。因此，为解决上述问题，本专利技术提出了一种基于统计性光线追踪的心脏动态超声模拟方法，用以实现心脏跳动的动态超声模拟。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使用统计性的光线追踪方法来实现动态超声模拟。
2、本专利技术所提出的一种基于统计性光线追踪的心脏动态超声模拟方法，其步骤如下：
3、步骤s1：初始化bullet引擎世界参数，根据心脏、肝、肾、血管、肺、肌肉、骨骼、血液、皮肤的物理性质定义人体组织材质信息，其中人体组织材质信息包括声阻抗、衰减系数、镜面发生率、粗糙度、厚度、发生散射的期
4、步骤s2：定义场景文件参数并根据场景文件初始化场景，其中，场景文件参数包括超声探头的位置、分辨率、脉冲延伸率、采样角度、采样数、俯仰角、频率、振子间隔、超声波的初始强度、停止阈值、光线初始介质材质、导入的模型文件和模型缩放因子；
5、步骤s3：提出一种基于bullet导入心脏动画模型的方法，通过心脏模型中各关节的变换矩阵计算其相对位置和旋转，通过变换矩阵得到每一帧网格信息并将其导入bullet引擎，同时根据时间循环更新网格；
6、步骤s31：制作心脏跳动动画模型；
7、步骤s32：使用fbxsdk解析心脏模型动画，计算保存每一帧的网格:
8、；
9、其中，表示第帧索引为的顶点坐标，表示第帧索引为的顶点全局变换矩阵，表示索引为的顶点初始坐标；
10、步骤s33：将动画帧网格转为bullet可使用的网格信息；
11、；
12、其中，表示第帧索引为的bullet世界顶点位置；
13、步骤s34：导入网格信息到物理世界，并按照指定时间步长更新网格；
14、步骤s4：超声探头根据采样角度发出射线从而进行统计性的光线追踪；根据声波击中点表面材质的粗糙度产生随机的反射折射方向；根据击中点表面材质厚度修改击中点位置，并在新的击中点产生超声回波、射频回波、反射折射、散斑，同时更新超声波束强度；
15、步骤s41：所述射频回波由记录的超声回波组成：
16、；
17、其中，t表示时间，t表示击中时间，o表示源点，pt表示击中点，ω表示半球曲面，it＞t(t,o)表示源点收到的从t时刻的交点出发的方向为ω的回波贡献；
18、在实践过程中通过离散的方式计算：
19、；
20、其中，i(r(pt,ωi))表示通过从pt向 ωi方向的射线贡献度；
21、步骤s42：所述反射折射表示击中点到达两种介质边界发生的物理效应，根据粗糙度随机生成法线方向，从而确定反射折射方向，同时基于snell定律计算反射折射强度：
22、；
23、；
24、；
25、；
26、其中，θ1表示反射角，θ2表示折射角， vi表示归一化后的入射方向， n表示法线方向，z1，z2分别表示两种介质的声阻抗， vt， vr表示折射方向和反射方向；
27、声波的强度更新过程，表达式为：
28、；
29、；
30、其中， ii表示到达击中点时声波的强度， ir表示反射波的强度， it表示折射波的强度；
31、步骤s43：所述散斑的生成，是因为无数亚波长粒子作为点波源进行全方位散射；通过超声散斑卷积模型计算散射效果：
32、；
33、其中，x表示横向，y表示轴向，z表示仰角，表示添加的随机噪声，r(x,y,z)表示散射强度，g(x,y,z)表示人体组织散射体参数函数,h(x,y,z)为根据采样器（超声探头）频率 fc调制的高斯包络线;
34、；
35、其中，σx、σy、σz分别表示横向、轴向、仰角的脉冲延伸率；
36、步骤s44：所述更新超声波束强度，除反射折射更新外，超声波强度在介质中穿行时也会衰减：
37、；
38、其中，i表示超声波衰减后的强度，i0表示超声波初始强度，x表示在介质中移动的距离，α表示介质的衰减系数；
39、步骤s5：通过回波生成超声图像。
40、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：（1）本专利技术考虑了声波在组织中的散射、吸收和传播，有助于模拟超声图像的形成，从而提高模拟结果的物理准确性；（2）本专利技术能够实现对组织器官运动的实时模拟成像；（3）本专利技术采用统计学技术模拟软阴影，真实度较以往的实时超声模拟更高；（4）本专利技术允许模拟不同情境下的超声成像，这有助于研究在不同条件下超声图像的变化，从而更好地理解心脏疾病。
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1.一种基于统计性光线追踪的心脏动态超声模拟方法，其特征在于,该方法包括：
2.如权利要求1所述的一种基于统计性光线追踪的心脏动态超声模拟方法，其特征在于，所述步骤S3，还包括：
3.如权利要求1所述的一种基于统计性光线追踪的心脏动态超声模拟方法，其特征在于，所述步骤S4，还包括：
4.如权利要求2所述的一种基于统计性光线追踪的心脏动态超声模拟方法，其特征在于，
5.如权利要求3所述的一种基于统计性光线追踪的心脏动态超声模拟方法，其特征在于，所述计算射频回波由记录的超声回波组成，表达式为：
6.如权利要求3所述的一种基于统计性光线追踪的心脏动态超声模拟方法，其特征在于，所述基于Snell定律计算反射折射强度，表达式为：
7.如权利要求3所述的一种基于统计性光线追踪的心脏动态超声模拟方法，其特征在于，
8.如权利要求3所述的一种基于统计性光线追踪的心脏动态超声模拟方法，其特征在于，所述更新超声波束强度，表达式为：
【技术特征摘要】
1.一种基于统计性光线追踪的心脏动态超声模拟方法，其特征在于,该方法包括：
2.如权利要求1所述的一种基于统计性光线追踪的心脏动态超声模拟方法，其特征在于，所述步骤s3，还包括：
3.如权利要求1所述的一种基于统计性光线追踪的心脏动态超声模拟方法，其特征在于，所述步骤s4，还包括：
4.如权利要求2所述的一种基于统计性光线追踪的心脏动态超声模拟方法，其特征在于，
5.如权利要求3所述的一种基于统计性光线...
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