[发明专利]用于仿真软组织变形的装置、仿真系统

说明书

本申请公开了一种用于仿真软组织变形的装置及仿真系统。本申请通过局部变形算法和术区网格优化对仿真系统的实时性和渲染真实性做到较好的平衡，而且能够实现软组织任意区域的穿刺和切割模拟，从而具有穿刺位点、切割路径自由的效果，而且对虚拟手术所产生的软组织变形过程进行快速仿真，进而实现逼真的视觉渲染和力学反馈，以符合虚拟手术的需求。

技术领域

本申请涉及虚拟现实技术领域，具体涉及一种用于仿真软组织变形的装置、仿真系统。

背景技术

虚拟现实(virtual reality,简称VR)技术具有交互性、沉浸感和构想性。基于VR技术开发的颅颌面手术仿真系统可以在多个方面协助临床实践，例如手术方案设计、术后面型预测、手术教学、操作实训等。相较于传统临床教学、实践过程，虚拟手术仿真系统具有高效、经济、便捷的优势，在医学领域有着广阔的发展前景。

目前已开发的颅颌面手术仿真系统绝大多数仅有骨组织模型和手术操作模拟。对于个别具有软组织模型的仿真系统，其软组织模型也不具备真实的生物力学特征的几何建模。手术切口的选择及操作是颅颌面手术中最常见且具有挑战性的步骤。相对于其他软组织器官，面部软组织具有更复杂细微的解剖结构，切口操作更富有技巧。为了更加真实地模拟面部切口操作、增加临床实用性，借助具有真实生物力学特征的面部软组织物理模型实现手术切口操作模拟十分重要。

手术操作引起的软组织变形在面部软组织物理模型上表现为网格的变形、破坏与重构。如果要提高视觉渲染和力反馈渲染的模拟精确度，则产生的计算规模大，进而计算所需时间增加；如果要满足仿真系统对手术操作视觉反馈、力反馈渲染的实时性，则需要损失计算的精确性以降低计算规模。

因此，对于软组织变形的仿真，研发人员一直在致力于求得真实性与实时性兼顾的方法。

发明内容

本申请的目的在于，本申请实施例提供一种用于仿真软组织变形的装置和仿真系统，其通过局部变形算法和术区网格优化对仿真系统的实时性和渲染真实性做到较好的平衡，而且能够实现软组织任意区域的穿刺和切割模拟，从而具有穿刺位点、切割路径自由的效果，而且对虚拟手术所产生的软组织变形过程进行快速仿真，进而实现逼真的视觉渲染和力学反馈，以符合虚拟手术的需求。

根据本申请的第一方面，本申请实施例提供一种用于仿真软组织变形的装置。所述装置包括：碰撞检测模块，用于判断虚拟手术器械与三维软组织物理模型之间是否发生碰撞；当判定发生碰撞时，获得碰撞节点的位置信息和深度信息；网格变形模块，用于基于所述碰撞节点的位置信息，计算所述三维软组织物理模型的影响区域；对所述影响区域内的所有三角形单元建立刚度矩阵；输入碰撞节点深度信息至所述刚度矩阵，以计算所述影响区域的剩余节点的位移量；以及基于所述影响区域的所有节点的位移量，渲染所述影响区域的网格变形。

可选地，在一些实施例中，所述用于仿真软组织变形的装置还包括：软组织物理模块，所述软组织物理模块包括几何建模单元和物理建模单元；所述几何建模单元用于获取虚拟对象的医学数字图像通讯数据，并基于所述扫描图像数据进行阈值筛选、交互式分割及构建得到三维软组织模型，并得到三维软组织模型的网格结构；所述物理建模单元用于对三维软组织模型设定边界条件，以得到虚拟分区；获取不同分区的力学特性；以及拟合不同分区的力学特性至三维软组织模型的相应分区，以得到三维软组织物理模型。

可选地，在一些实施例中，所述几何建模单元还用于根据预设目标确定三维软组织模型的术区和非术区，并且根据预设规则，对术区的网格进行增量操作，以及对非术区的网格进行减量操作。

可选地，在一些实施例中，所述用于仿真软组织变形的装置还包括：器械建模模块，所述器械建模模块用于获取虚拟手术器械的激光扫描图像数据；基于虚拟手术器械的激光扫描图像数据，渲染三维虚拟手术器械模型。

可选地，在一些实施例中，所述虚拟手术器械和所述三维软组织模型均由三角面片构成。