[发明专利]一种软组织形变仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及虚拟手术技术领域，具体地说是一种基于光滑粒子流体动力学的软组织形变仿真方法，属于图形处理技术领域的物体形变实时模拟技术领域，其IPC专利分类号为G06T17/00。

背景技术

虚拟手术是虚拟现实技术在现代医学中的应用，是一个多学科交叉的研究领域。它主要由医学数据可视化与建模、人体软组织器官受力形变仿真两部分构成，在视觉上与触觉感官上为使用者提供了手术场景的真实再现。可用于外科医生的培训、手术结果的预测、手术计划的辅助制定、手术导航等，具有重大的理论意义和广阔的应用前景。

软组织形变仿真是虚拟手术中的最重要技术之一，能否逼真、实时的模拟软组织器官在外力作用下的形变是整个系统的关键。

常见的软组织形变计算模型分为两大类：基于几何的形变模型和基于物理的形变模型。其中，第一类模型仅仅考虑了几何形态的变化，而忽略了软组织的实际力学本构方程以及形变过程中物体质量、力或其他物理现象的作用，因此不能真实的反映软组织的形变过程，该模型目前已较少使用。而物理模型则基于软组织的力学本构方程，通过相应的计算模型得出组织受力时的形变，能够更加真实的反映组织的形变，因此目前使用较多。质点-弹簧模型(Mass-Spring Model)是较早出现的物理模型，它由无质量的弹簧和阻尼器网格连接的质点集合组成，该模型建模简单、易于实现，且计算速度相对较快；但很难通过实验来获取模型中成千上万的弹簧、质点和阻尼器参数以反映软组织内部真实的力学特性，因此，使用该模型实现形变仿真的逼真度不高；另外，前期需要耗费很多精力来构造弹簧阻尼器网格，仿真计算对网格结构依赖程度大，并且不能准确描述大变形问题。有限元模型(Finite Element Model，简写为FEM)是另一种常用的有网格物理模型，它将软组织离散为若干子单元，通过这些子单元边界上的节点相互结成为组合体，并利用变分原理建立求解应变量的代数方程组，从而计算形变。用有限元模型实现软组织形变仿真的方法已在近几年得到广泛的研究和应用，该方法具有坚实的弹性力学基础，较之其他有网格模型计算精度高，但它的计算复杂度大，很难实现软组织形变的实时模拟。边界元模型(Boundary Element Model，简写为BEM)可以看作对有限元模型的改进，它只对模型的边界进行离散，以降低问题的维数，简化计算。该方法无需考虑内部节点位移，较有限元法计算简单，但这种方法只能解决具有均质各向同性的线性问题。

形变仿真中软组织所采用的力学模型是形变仿真的基础与关键，决定形变仿真的准确性。当前常见的仿真系统为了能够实现组织的实时形变仿真，大多采用较为简化的力学模型，如：弹性力学模型、线弹性力学模型等，这些类型的模型大多直接采用经典材料力学中的力学模型，与软组织的实际力学特性差异很大，因此尽管可以实现能够满足一定速度需求的仿真，但精度很低，形变效果不如人意。

如前所述，现在常用的有网格物理模型需要耗费很大的精力来构造网格模型，后续的计算过程大都紧密的依赖于这种网络结构，并且计算复杂度往往较大，因此无法满足实时性、健壮性、精确性的要求，更难以准确描述软组织大变形问题；另外，经典的、简化的材料力学模型不能真实反映软组织的生物力学特性，依据这种力学模型对软组织的形变进行仿真计算，逼真度也很低。软组织形变仿真是虚拟手术系统中的关键环节，为此，如何设计一个性能更加良好的方法来实现软组织的形变仿真，以尽可能的满足系统关于实时性、健壮性、精确性的要求，成为虚拟手术系统所面临的首要问题。

发明内容

本发明的目的是解决虚拟手术系统中软组织形变仿真的实时性、逼真性和大变形仿真问题，克服了现有技术的不足，以较能真实反映软组织力学特性的黏弹性模型为力学模型，提供一种基于无网格法的软组织形变仿真方法，并实现其中最关键的基础部分，使其满足虚拟手术系统的需要。

为完成本发明的目的，本发明采取的技术方案是：以黏弹性力学模型反映软组织的生物力学特性，采用无网格连接的粒子模型来表示软组织形变计算模型，并选取光滑粒子流体动力学法(Smoothed Particle Hydrodynamics，简写为SPH)作为无网格模型的计算方法，完成软组织形变的仿真计算。其包含以下几个步骤：

步骤1)：采集软组织的数据信息；

步骤2)：选择黏弹性模型，构建用于软组织形变仿真的方程组：应力-应变本构方程(1)、(2)、(3)、应变-位移几何方程(4)和用于加速度计算的动量方程(5)；