[发明专利]软组织形变仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种软组织形变仿真方法。

背景技术

虚拟手术仿真是虚拟现实技术的重要应用之一，其目标是利用各种医学影像数据以及虚拟现实技术在计算机中建立逼真的虚拟手术环境，使得医生或者受训者可以借助该虚拟环境进行手术训练。

在虚拟手术仿真中，软组织器官的形变模型决定了虚拟手术仿真的视觉效果和力反馈精度。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。基于几何的形变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；基于物理的形变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。目前，基于物理的形变模型主要有有限元模型和质点-弹簧模型。有限元模型的优点是参数连续化，在大形变情况下也能模拟组织形变，具有较高的精度和适应性，但其建模复杂，计算量大，需要大量的预处理工作，尤其在切割过程中难以实现快速的网格重构，因此，实时性较差。与有限元模型相比，质点-弹簧模型不需要将参数连续化，容易实现，运算速度较快。而质点-弹簧模型一般分为面模型和体模型两种，面模型的网格密度可以根据仿真的要求进行划分，计算效率高，可以满足仿真的实时性，但是，只能反映组织表面的形变特征，不能刻画三维实体的内部结构，是以牺牲精度为代价来保证实时性，体模型是对具有一定体积的实体组织进行建模，能够同时表现表面和内部结构，具有较高的精度，但实时性较差。

对于上述模型，目前求解其二阶微分方程的主要方法有欧拉法和龙格-库塔法。显式欧拉法计算量小，但是一般只一阶收敛，精度不高，为实现逼真的模拟效果，时间步长需要设置很小，从而导致整个形变过程延长，并且由于存在进退性冲击波，不适合用于质点-弹簧模型。隐式欧拉法精度高，稳定性好，但是计算量却较大。龙格-库塔法也具有较高的精度和稳定性，但是，在一步计算中需要计算四次函数的值，计算量大，实时性较差。在虚拟手术仿真中，光滑的触觉反馈对实时性的要求更高。因此，如何设计出一种支持光滑触觉反馈的快速且逼真的软组织形变仿真方法，尽可能的满足虚拟手术对实时性以及精确性的要求，已成为虚拟手术面临的首要问题。

发明内容

为克服以上现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种软组织形变仿真方法，能够有效构建软组织生物力学模型，并对其中质点的速度、位移以及受力信息进行高效求解，从而有效解决虚拟手术仿真中的实时性、精确性以及反馈力光滑性问题，进而满足虚拟手术仿真的需要。

本发明的技术方案是：

一种软组织形变仿真方法，包含以下步骤：

步骤1）：采集软组织的数据信息，并采用基于四面体的质点-弹簧体模型建立软组织的生物力学模型，该生物力学模型由n个质点组成，并且对于其中任意一个质点i，满足以下方程：

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