[发明专利]一种埋藏式缝合技术的实时模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种虚拟手术的模拟方法，尤其是涉及一种埋藏式缝合技术的实时模拟方法。

背景技术

随着科学技术的高速发展，虚拟手术的应用为医疗的现代化提供了越来越多的帮助。缝合作为虚拟手术中不可缺少的一部分，成为许多学者研究的课题。在缝合的模拟研究过程中，早期的学者仅仅着手于软组织表层缝合的模拟，然而，表层缝合不能代表缝合技术的整体，也不能给训练者很大的自由度，更不能全方位地对训练者进行训练和考察。埋藏式缝合对软组织、线的模拟有很高的要求，不仅要求软组织、线模型要有高的真实性，还对线与软组织之间交互的模拟有可靠的物理模型，并且由于要应用于虚拟手术，这就要求模型系统达到高的更新速度，并且能达到实时。一个完整的埋藏式缝合模拟包括了软组织模拟、缝合线模拟、碰撞检测及响应和埋藏式穿刺模型。

对于软组织的模拟，一些早期的研究仅仅在软组织表面采用有结构的网格如：三角网格，来用于渲染，而在软组织的内部采用无网格结构。一些学者仅仅关注与软组织的表面网格，而忽略软组织的内部结构的建模。之后有些学者采用预定义的结构来用于软组织的模拟，如一些采用中心线(center-line model)来对血管进行建模，一些采用立方体模型(cubic model)。但是这些特定的模型都是用于特定的情况，并不适用于模拟从医学数据重建的软组织。还有学者提出一种自顶向下的face模型来用于处理软组织与缝合线之间的碰撞。软组织的形变的研究属于，生物力学的研究范畴，在生物力学的研究领域对软组织形变已经提出了许多数学模型，但由于计算的复杂性并不适用于可视化的模拟，因此，学者们多采用简化的线性模型，线性模型对于微小形变的模拟是准确的，然而不适用于大形变量的模拟，对于这些大形变的可形变物体的模拟，需要更加复杂的非线性的模型，例如，早期学者提出的，Mooney-Rivlin模型，以及St.Venant-Kirchoff模型。

对于缝合线的模拟，大部分的方法是基于Cosserat，弹簧模型，FTL(Follow The Leader)，B-spline等理论，这其中FTL模型和弹簧模型被常用于缝合线的模拟，由于其效率高能达到实时。然而FTL模型是基于线的几何性质提出的线模拟模型，这种方法完全忽略了线的物理性质，然而如果完全忽略了线的物理性质，与其他模型之间的交互将难以处理。

主流的碰撞检测方法之一是，采用层次结构(hierarchy)为基础核心，例如Octree，k-d树，BSP树等，利用包围体的hierarchy结构也被广泛地应用于各种碰撞检测算法(同时这种方法也被应用于其他领域，如：光线追踪)，包围体的选择，学者们也提出了许多方法，包括，球包围体，有轴向的长方体(AABBs)另外一些碰撞检测方法，包括采用space-time bounds以及采用四维几何体来包围物体，近些年，学者们也提出基于Voronoi图的碰撞检测方法。

缝合过程的建模，是缝合模拟的重点部分，算法设计的好坏关系到整个缝合系统的真实性、准确性、高效性。有些学者提出缝合线穿过软组织的过程中，缝合线穿过的是软组织的网格点，因此缝合线并不能自由地穿过软组织的任何一部分。另外有些学者提出，在缝合线穿过软组织的面片时，将面片进行细分。在大部分关于缝合模拟的工作，学者大多关注表面的单层网格，除了Miyazaki，他在文中提出利用8个控制点的方法，完成了有两层网格的缝合过程，然而，虽然如此，也不能够给予被训练的医生们大的自由度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种稳定可靠、实现方便、真实高效的埋藏式缝合技术的实时模拟方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种埋藏式缝合技术的实时模拟方法，该方法包括以下步骤：

1)采用基于物理模型的模拟方法，利用四面体弹簧模型，对软组织进行建模；

2)借鉴头发模拟方法，采用四面体弹簧模型，对缝合线进行建模，并通过冲量传递机制对缝合线进行长度控制；

3)进行缝合线的渲染，引入Bezier曲线进行差值，然后通过绘制小球来渲染出一个整条的缝合线；

4)采用K-DOPS树进行碰撞检测及表面张力模拟；

5)当针头和软组织发生碰撞且针头施加在软组织表面的力大于软组织表面可承受的最大张力，针头进入软组织，则执行步骤6)；

6)进行软组织与缝合线的交互模拟，包括缝合线与软组织的表面网格的交互和缝合线与软组织的内部网格的交互。