[发明专利]一种微创虚拟腹主动脉血管手术中的碰撞检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微创虚拟腹主动脉血管手术中的碰撞检测方法，属于仿真控制和图形处理技术领域。

背景技术

基于虚拟现实技术的微创手术仿真系统即微创虚拟手术仿真系统是一种替代传统医学培训方式的技术，有利于提高手术技能，减少手术误差，具有很大的发展前景。一个基本的微创虚拟血管手术仿真系统可以由血管模型、碰撞检测、视觉和力反馈等功能模块构成,其中碰撞检测贯穿于血管手术仿真的整个过程，在实现虚拟场景所应提供的沉浸性和交互性等方面扮演了重要角色。

微创虚拟血管手术系统中碰撞检测的基本任务就是确定手术器械与血管之间是否发生接触或穿透。高效的碰撞检测算法有利于保证血管与手术设备碰撞之后产生真实、实时的形变结果，提高虚拟手术系统的沉浸感。因此，提高碰撞检测过程的速率和准确度是保证手术仿真系统真实性和实时性的前提。在虚拟手术仿真系统中常采用的软组织碰撞检测方法包括空间法、基于图像空间的碰撞检测方法和碰撞包围盒法。空间法主要适用于稀疏环境中均匀分布的物体，而基于图像空间的碰撞检测方法由于图像硬件本身具有离散性，难以保证检测的准确性。层次包围盒法能快速去除不可能发生接触的几何元素，找出可能发生碰撞的几何集合，减少相交测试计算量，因此适用于软组织的相交测试。然而，由于血管本身具有塑性、粘弹性、各向异性、不均匀性、非线性等特性，导致其形变模型非常复杂，碰撞检测过程计算量非常大。采用经典层次包围盒法存在构造难度大、紧密性差和相交测试复杂、效率低等缺点，难以同时满足虚拟手术实时性和准确性的要求。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种微创虚拟腹主 动脉血管手术中的碰撞检测方法。为了提高微创虚拟血管手术系统的精确性和实时性，本发明针对腹主动脉血管的特点，提出了基于沿坐标轴的包围盒(Aligned Axis Bounding Box，AABB)和离散有向多面体(Discrete Orientation Polytope，K-DOPs)包围盒的混合双层包围盒碰撞检测方法，采用自顶向下的方法对腹主动脉血管和手术刀进行包围盒构造。该方法利用外层AABB包围盒的快速碰撞检测解决了经典包围盒法存在的相交测试复杂、效率低的问题，提高了系统的实时性。利用内层K-DOPs包围盒紧密性的特点进行精确的碰撞检测，保证了检测结果的高准确率。

为了实现上述发明目的，解决已有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种虚拟微创腹主动脉血管手术中的碰撞检测方法,包括以下步骤：

步骤1、腹主动脉血管的三维建模：本发明的碰撞检测是建立在腹主动脉血管几何模型的基础上的，在碰撞检测前的模型准备阶段首先利用医疗图像软件对腹主动脉血管CT数据进行三维重建得到三维几何模型，然后对重建的三维几何模型进行覆盖修复、平滑光顺及网格优化操作后得到更精确的三维几何模型，具体包括以下子步骤：

(a)、对腹主动脉血管CT图像进行窗宽窗位调整和伪彩增强，增加腹主动脉血管组织的对比度；

(b)、采用阈值分割与区域增长相结合的混合分割方式分割出大部分腹主动脉血管组织；

(c)、对分割后的腹主动脉血管组织的蒙版进行空腔填充，用于减少因区域增长而引入的噪声；

(d)、继续对腹主动脉血管组织的蒙版进行编辑，用于减少边界损失，获得完整的腹主动脉血管组织信息；

(e)、将分割处理后的完整腹主动脉血管组织进行三维重建；

(f)、利用覆盖和平滑操作来减少腹主动脉血管模型表面的毛刺，优化重 建腹主动脉血管模型；

步骤2、腹主动脉血管形变的模型构建：利用有限元分析软件构建出腹主动脉血管的基于四面体网格的粘弹性有限元模型，并通过赋材料属性，施加载荷和力，仿真血管切割但未切开时的形变特性，具体包括以下子步骤：

(a)、将医疗图像软件重建的腹主动脉血管几何模型导入到有限元分析软件中；

(b)、对腹主动脉血管几何模型进行参数设定，选择腹主动脉有限元模型单元类型，并结合腹主动脉血管的组织特性构建腹主动脉血管的物理形变模型；腹主动脉血管组织的主要组成部分是弹性纤维和胶原纤维，其中弹性纤维是网状结构，胶原纤维是折叠的波纹状结构；当应力较小时，只有弹性纤维起作用，此时腹主动脉血管的弹性模量为弹性纤维的弹性模量；随着应力增大，胶原纤维的折叠部分被逐渐拉伸开，这时决定腹主动脉血管形变的不仅是弹性纤维，还有胶原纤维，因而腹主动脉血管的弹性模量包含弹性纤维和胶原纤维的弹性模量，根据该特性得出如下血管的力学特性公式(1)：