[发明专利]一种基于子空间凝聚算法的软组织形变仿真方法

说明书

本发明涉及一种基于子空间凝聚算法的软组织形变仿真方法。该方法包括：a)数据预处理与软组织模型的三维重建；b)进行软组织的生物力学特性分析；c)采用AABB包围盒与三角形面片相交相结合实现碰撞检测；d)最后进行子空间凝聚算法完成软组织形变仿真计算，采用空间核方法实现空间映射，利用贪心算法及二维分离算法分离出最佳纯子空间。本发明结合了软组织的三维几何建模和实时的碰撞检测方法，最后采用改进子空间凝聚算法进行软组织形变仿真，能较好的调节软组织形变过程中真实性与实时性的均衡，防止模型形变过程出现畸变或停顿等现象，通过分析可具有良好的仿真效果且花费时间较短，对虚拟手术中的形变仿真有着重要的指导作用。

技术领域

本发明涉及虚拟手术中软组织形变仿真领域，并结合子空间凝聚算法进行建模仿真，具体涉及一种基于子空间凝聚算法的软组织形变仿真方法；主要针对软组织形变过程中真实性与实时性的均衡问题，该方法在保证调节两者均衡情况下，同时能够实现模拟软组织深度形变的良好效果，保证虚拟手术的精确性。

背景技术

在医学领域，手术作为一种医疗手段，常用来维持患者的健康。随着医疗水平的提高，手术所涉及的范围不断地扩大，已经能够在人体的各个部位进行操作。在进行手术前，医生需根据病患的具体情况制定详细的手术方案，明确手术中的各个环节，预先进行手术的模拟。但由于受到了医生自身临床经验和复杂的人体构造的限制，传统手术模拟并不能完全根据医学影像来模拟真实的手术。因此，如何模拟出真实的手术成为了医学领域急需解决的问题。

虚拟手术是虚拟现实技术的重要应用之一，它是对现实手术中可能存在的各种过程的模拟，包括术前、术中、术后这一整个过程三个阶段。其综合了生物力学、运动力学、计算机图形学、传感技术等方面的知识，集视觉、触觉、听觉等各种器官感受于一身，能满足医生对病患真实情况的具体把握。利用虚拟手术进行手术前的模拟，能为医生呈现出一个具有沉浸感、联想性以及交互性的虚拟手术场景，使得医学上各种手术过程能很好地进行模拟和还原，为医学上的教学指导、术前方案制定、术中手术辅助以及术后身体调理提供技术上强大的支持，具有广泛的应用前景和深远的研究意义。

软组织形变在软组织虚拟手术系统中具有重要的地位。软组织普遍具有不均匀性、非线性和各向异性等一系列复杂的特性，所以软组织形变的研究是整个虚拟手术系统中的一个难点。根据软组织建模原理是否遵照物理原理，软组织形变模型可以分为：非物理模型(Non-physical DeformableModel)与物理模型(PhysicalDeformableModel)。非物理模型是通过几何方法来对形变过程进行仿真，这种模型的仿真速度快，但模型的还原度并不高，在计算机性能较差的年代得到普遍应用。随着不断提高的计算机性能和虚拟手术真实度的要求，由于物理模型还原出的模型更逼真，所以物理模型替代非物理模型得到了广泛的应用。非物理模型中具有代表性的类型主要是自由曲面形变模型和Chain-Mail模型这两类。而在物理模型中具有代表性的类型主要是弹簧质点模型、有限元模型以及质量张量模型。在虚拟手术系统中，当软组织受到外力后，要求虚拟的软组织形变仿真同时具有真实性和实时性的特性。一方面，要保证软组织形变的真实性，就需要保证模型具有生物力学特性，但如果具有生物力学特性将会伴随着计算量剧增的问题出现，同时仿真所需的时间也将大幅度的增加，这种情况下软组织形变的仿真过程将很难达到实时性的要求。另一方面，要保证软组织形变的实时性，就需要将计算量限定在一定范围内，这种情况下要求系统的计算步骤数要有一个限定值，计算量太小往往会伴随着很大的误差，这时仿真出来的软组织形变结果将很难满足真实性的要求。

弹簧质点模型是整个模型的质量离散到一个个的质点，不同的质点之间用弹簧连接来表示物体的弹力、阻尼力等表示物理特性的模型。该模型具有构建简单、方便、快捷等优点，但其仍有其很多的局限性，如：(1)仿真出来的模型具有一定的不真实性；(2)物体的仿真速度也存在较大的滞后性；(3)它的平衡受到破坏后总要再找寻新的平衡状态。