[发明专利]一种实时交互的无网格软组织形变模拟方法

说明书

本发明公开了一种实时交互的无网格软组织形变模拟方法，包括以下步骤：(1)将软组织的CT图像转换成OBJ文件以便获取顶点信息；(2)使用移动最小二乘法MLS来构建无网格形函数；(3)将Kelvin粘弹性纳入组织模型；(4)根据步骤(3)中计算的给定应力相对应的所有节点的位移，使用Marquardt算法来预先拟合软组织上的力和每个节点的位移之间的数学关系；(5)引入富集函数来模拟因切割等操作导致的组织表面不连续性裂缝。本发明在人体组织模型中纳入了Kelvin粘弹性力学模型，可更好表现软组织的粘弹性，提高模拟真实度，使用Marquardt算法预先拟合软组织上的力和每个节点的位移之间的数学关系，提高模拟实时性，同时引入权重函数富集来实现软组织的交互式模拟。

技术领域

本发明涉及软组织变形模拟方法，尤其涉及一种实时交互的无网格软组织形变模拟方法。

背景技术

拜师学艺是中华儿女从古至今学习技能的重要方式，医术学习也不例外，新手通过向有经验技术的老医者学习，提高自身的医学技术水平。尽管传统的收徒授艺为医学教育发展奠定了基础，但是这种培训方式周期长，代价大。随着计算机科学技术的发展，基于计算机的虚拟手术模拟逐渐解决了上述缺陷。

在虚拟手术模拟中人体软组织建模是其中的一项重要研究领域，人体软组织可以通过模型准确获得在外力作用下发生的形变，这有助于实现人与模型之间的实时交互。目前已经提出了许多模型来模拟人体软组织，常见的有：(1)弹簧质点模型，由于其结构简单和计算速度快常常被用于手术模拟，但该模型受到许多约束，迭代计算不稳定；(2)有限元模型，该模型精度高、适应性强，但是计算量大、复杂性高，并且很难实现实时模拟；(3)无网格模型，该模型只需要一组离散节点的信息，不需要预先处理网格数据进而不会出现网格失真或者纠缠等问题，并且相对于有限元模型而言更能够实现软组织实时模拟变形，但是有时模拟不够真实。因此开发一个具有良好实时性和真实性的人体软组织模型对于虚拟手术系统来说至关重要。

发明内容

发明目的：本发明目的是着力解决软组织形变模拟中实时性不强，真实性不足的问题，提出了一种实时交互的无网格软组织形变模拟方法。

技术方案：本发明包括以下步骤：

(1)将软组织的CT图像导入到Mimics软件中，并导出三维模型的STL文件，使用MeshLab软件将STL文件转换成OBJ文件以便获取顶点信息；

(2)使用移动最小二乘法MLS来构建无网格形函数；

(3)将Kelvin粘弹性纳入组织模型；

(4)根据步骤(3)中计算的给定应力相对应的所有节点的位移使用Marquardt算法来预先拟合软组织上的力和每个节点的位移之间的数学关系；

(5)引入富集函数来模拟因切割等操作导致的组织表面不连续性裂缝。

所述步骤(2)中的无网格形函数可以表示为：

Φ^T(x)＝(Φ₁(x),Φ₂(x),......Φ_n(x))＝P^T(x)A^-1(x)B(x) (1)

其中，Φ^T(x)表示由MLS构建的无网格形函数，Φ_i(x)(i＝1,2,…,n)表示点x_i的形函数，P^T(x)是多项式基函数矩阵P(x)的转置，A^-1(x)是第一加权瞬时矩阵A(x)的逆形式，B(x)是第二加权瞬时矩阵。

所述步骤(3)中的Kelvin模型可以表示为：