[发明专利]软组织局部压缩形变模拟方法

说明书

本发明公开了一种软组织局部压缩形变模拟方法，包括：(1)采集软组织的医学图像数据，通过四面体网格生成方法将软组织的医学图像数据处理为三维四面体网格模型；(2)构造四面体质点‑弹簧模型并建立与质点‑弹簧模型对应的运动学方程；(3)利用模拟退火算法优化质点‑弹簧模型中的弹簧刚度和阻尼系数；(4)将软组织压缩变形划分为局部变形区和非变形区；(5)利用Verlet显示积分法对局部变形区的点进行运动学方程求解，获得在压力作用下软组织的压缩形变；(6)设定过度压缩约束条件，对不满足过度压缩约束条件的质点进行校正。本发明在保证计算效率的同时提高了模拟的精度，更快速、真实的反映了软组织的形变情况。

技术领域

本发明涉及一种软组织形变模拟方法，尤其涉及一种软组织局部压缩形变模拟方法。

背景技术

近年来虚拟现实技术蓬勃发展，虚拟手术模拟系统就是其重要应用之一。在医学手术过程中要经常对软组织进行按压操作，医生或医学生可通过虚拟手术模拟系统进行按压手术训练，积累经验提高手术技能，同时降低培训成本。在虚拟手术模拟中，建立真实的软组织形变模型至关重要。

使软组织形变模型满足真实性和实时性是最具挑战性问题，现今主要使用的模型包括有限元模型和质点-弹簧模型。有限元模型的优点是参数连续化，精度高，适应性强，可模拟大的软组织形变，但其建模复杂，需进行大量复杂的数值计算，实时性较差；质点-弹簧模型参数不需要连续化，计算快、效率高，但其精度较差。因此建立一个具有良好变形效果且计算效率高的模型对虚拟手术模拟系统来说至关重要。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种软组织局部压缩形变模拟方法，在保证计算效率的同时提高模拟精度。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种软组织局部压缩形变模拟方法，包括以下步骤：

(1)采集软组织的医学图像数据，通过四面体网格生成方法将软组织的医学图像数据处理为三维四面体网格模型；

(2)构造四面体质点-弹簧模型并建立与质点-弹簧模型对应的运动学方程；其中，四面体质点-弹簧模型是将三维四面体网格中四面体的四个顶点作为质点，质点之间由弹簧连接。与该质点-弹簧模型对应的一种运动学方程表达式为：

其中m_i表示质点i的质量，x_i表示质点的位移，t表示时间，F_i^int表示质点i所受内力，F_i^vol表示质点i所受体积力，F_i^ext表示质点i所受外力；

在该表达式中，质点i所受内力F_i^int被设置为与弹簧刚度系数和阻尼系数相关的量，具体的表达式为：

其中，任意质点i及其任意一个邻点j的位置分别为p_i和p_j，连接两质点间的弹簧刚度系数和阻尼系数分别为k_ij和d_ij，表示弹簧初始长度，S_i表示为所有连接到质点i的弹簧集合，v_j和v_i分别表示质点j和i的速度；

为保证体积守恒，在每个点上定义了体积力F_i^vol为

其中，p_wb表示四面体w的重心，Ω_i表示所有包含质点i的四面体集合，和分别表示四面体w当前的体积和初始体积。

(3)利用模拟退火算法优化质点-弹簧模型中的弹簧刚度和阻尼系数；一种可执行的模拟退火算法优化过程包括以下步骤：