[发明专利]一种基于高融合度增强现实的虚拟脑外科手术仿真方法

说明书

本发明公开了一种基于高融合度增强现实的虚拟脑外科手术仿真方法，包括：充分考虑活体软组织的力学特性，把粘弹性集成到人体软组织形变模型中，通过对真实软组织进行生物力学试验，确定软组织物理力学模型参数，从而得到精确的形变计算结果。通过动态纹理映射渲染高仿真脑组织区域背景，建立了高真实感的实时动态场景信息；对虚拟脑肿瘤模型进行镜面环境纹理映射，获得与脑组织环境同源的真实感纹理；将两者配准融合输出，实现虚实在纹理上的同步效果，通过双目视觉系统呈现三维立体场景，增强系统的真实感和沉浸感。

技术领域

本发明涉及计算机仿真技术领域，特别涉及一种基于高融合度增强现实的虚拟脑外科手术仿真方法。

背景技术

现有虚拟脑外科手术仿真训练系统，如NeuroTouch，采用有网格法计算并仿真虚拟脑组值的形变过程。当进行切割、抽吸等脑外科手术操作仿真时，虚拟脑组织网格的拓扑结构需要发生变化，这无疑增加了形变计算的难度和复杂度。同时，采用虚拟现实的方式对手术仿真结果进行渲染，与真实的脑外科手术场景之间存在较大差距，外科医生在训练时无法获得较高的沉浸感，仿真训练结果与真实手术相比较差。

发明内容

本发明设计开发了一种基于高融合度增强现实的虚拟脑外科手术仿真方法，能够估算脑组织与手术器械接触的受力大小，有效预测手术难度。

本发明还设计了一种基于高融合度增强现实的虚拟脑外科手术仿真方法，估算脑组织与手术器械接触的受力大小，并能够通过图形显示出来，能够构建脑外科手术虚拟三维效果。

本发明提供的技术方案为：

一种基于高融合度增强现实的虚拟脑外科手术仿真方法，包括：

步骤一、采用医学设备获得患者脑组织的真实形态图，根据所述形态图对脑组织进行三维建模，得到患者虚拟软组织的几何模型，并将手术器械和手术设备导入到所述几何模型中；

步骤二、通过对真实软组织进行生物力学试验确定真实脑组织的物理力学模型参数；

步骤三、结合所述步骤二中得到的物理力学模型参数几何模型，采用径向基函数和多项式基函数确定虚拟脑组织形变模型中任意点的位移函数；

步骤四、判断所述手术器械与所述几何模型是否发生接触，若是，计算虚拟脑组织的所有节点受力的大小及方向，同时利用形变模型计算出所有节点的位移；根据每个节点的新位移计算出它们的新位置；

步骤五、由软组织物理模型计算得到的软组织应力应变数据，得到手术器械受力大小。

优选的是，所述步骤一中的三维建模采用双目投影模型建立。

优选的是，所述步骤二中真实脑组织的物理力学参数，包括：

真实脑组织的弹性模量，其计算公式为：

其中，E_i为真实脑组织的弹性模量，E₁为真实脑组织在细微形变时的弹性模量，E₂为真实脑组织在较大形变时的弹性模量，F为作用于样本表面上的外力，F₁为作用于样本表面小于1N的力，F₂为作用于样本表面大于1N的力，A为样本表面积，h为样本原有高度，h₀为样本受力后高度。

优选的是，所述步骤二中的虚拟脑组织形变模型中任意点的位移函数采用如下形式表示：