[发明专利]一种基于网格与无网格混合的软组织形变方法

权利要求书

1.一种基于网格与无网格混合的软组织形变方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤S1：利用碰撞检测算法完成区域可变的无网格建模位置的确认；

步骤S2：根据存储的虚拟软组织几何连接拓扑信息建立一层无网格模型；

步骤S3：对无法覆盖形变仿真中的大形变区域和不能满足真实效果的无网格模型进行扩展；

步骤S4：重复步骤S3，完成区域可变的无网格建模面积动态扩展，形成N层无网格模型，建立网格向无网格动态转换的混合模型；

步骤S5：采用无网格模型对虚拟器械操作软组织过程中可能发生网格畸变的局部大形变区域进行建模；

步骤S6：采用质点弹簧模型对非手术区域受力较小产生的形变进行网格建模；

步骤S7：对于无网格模型内的节点运用无网格形变方程计算受力后的节点位置，对网格模型区域采用质点弹簧法计算质点位置，且无网格模型与网格模型通过过渡单元的节点完成信息的传递；

所述步骤S1的具体实现方式为：在虚拟手术过程中虚拟器械碰撞软组织，利用鼠标拾取的碰撞检测算法检测软组织模型的碰撞位置，搜索软组织模型中与碰撞位置最邻近的质点作为虚拟器械的施力点，由此将该质点邻近的局部区域划分为无网格区域，从而完成区域可变的无网格建模位置的确认；

所述步骤S2的具体实现方式为：确定了碰撞位置最邻近的质点后，根据存储的虚拟软组织几何连接拓扑信息，搜索以该质点为中心的周围一层有相连接关系的质点，并删除与该质点和与以该质点为中心的周围一层质点有连接关系的弹簧约束，进而建立一层无网格模型；

所述步骤S4的具体实现方式为：重复步骤S3，完成区域可变的无网格建模面积动态扩展，形成N层无网格模型，将转换单元与邻近单元的拓扑连接关系删掉，且保留转换单元与邻近单元的模型节点及过渡单元节点，并将这些节点存储起来用于后续混合模型的无网格形变计算，未进行无网格建模面积动态扩展的区域仍保留网格拓扑结构用于质点弹簧模型的形变计算，建立网格向无网格动态转换的混合模型，其中，转换单元即以碰撞位置最邻近的质点为中心向外N层的拓扑连接网格的形变畸变区域，邻近单元即以转换单元为中心向外扩展的第一层的相邻单元，过渡单元即以转换单元为中心扩展至第二层的节点，N为正整数。

2.根据权利要求1所述的一种基于网格与无网格混合的软组织形变方法，其特征在于：所述鼠标拾取的碰撞检测算法为基于射线拾取与软组织模型三角形面片相交的碰撞检测算法，即根据检测得到与拾取射线相交的三角形面片及相交点，对该面片的三角形三个顶点计算与相交点距离最小的点即为最邻近的质点，把该最邻近质点作为虚拟器械在软组织模型上的施力点，该基于射线拾取与软组织模型三角形面片相交的碰撞检测算法具体实现如下：

假设X_n为软组织模型中一个三角形面片的法线，X是该三角形上的点，d是三角形面片到原点的距离；则三角形面片被描述为：

X_n·X＝d(1)

而鼠标拾取操作的射线为：

p(t)＝p_w+tp_w1(2)

其中，p(t)为射线向量，p_w为在世界坐标系中的起点，t为位置向量，p_w1为方向向量；

若以上两个方程有公共解，则射线与三角形相交，假设相交点为I(x，y，z)，联立以上两个方程有：

(Xn·pw)+t*(Xn·pw1)=d---(3)]]>

t=(d-Xn·tpw1)/(Xn·pw)---(4)]]>

将t带入公式(2)中则可得出相交点I(x，y，z)的坐标值，并记录相交的三角形索引，计算该三角形的三个顶点与相交点的距离的最小值，把距离最小的顶点作为虚拟器械的施力点。