CN110060779B - 一种软组织表面刺穿仿真方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种软组织表面刺穿仿真方法及装置，通过获取软组织表面的数据信息，并建立相应的质点‑弹簧模型；检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息，并根据所述碰撞信息和质点‑弹簧模型通过预设的规则计算软组织表面的形变信息；接收预设的指令，并根据所述指令对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型，保证了在不丢失软组织表面受力形变的细节的同时实现软组织表面刺穿的实时仿真。

Description

一种软组织表面刺穿仿真方法及装置

技术领域

本发明涉及虚拟手术中软组织形变仿真领域，特别涉及一种软组织表面刺穿仿真方法及装置。

背景技术

虚拟手术在医学领域中具有广泛的应用，其将计算机图形学与虚拟技术结合，为医护人员提供手术方案制定与手术操作训练等功能。刺穿广泛应用于日常医学检查和诊断中，刺穿针刺入软组织表面到达目标位置，实现注射、取样等操作，因此软组织表面刺穿形变仿真是虚拟手术的关键技术之一。在传统虚拟手术***中进行模拟时，软组织表面刺穿形变只简单的对模型进行拉伸形变，丢失了现实中软组织表面受力形变的一些细节效果，从而影响了模型的真实感。

申请号为CN201410723354.9的中国专利公开了一种基于子块的软组织表面变形追踪方法，该方法用于实现术中软组织变形矫正。

申请号为CN201810020385.6的中国专利公开了一种利用数字化空间重构及3D打印制备用于确定软组织表面替代皮瓣尺寸的切取导板的方法利用该发明制得的切取导板，能够精确地在供区切取替代皮瓣，从而实现以最小的皮瓣供区损伤获得最精确的受区适形功能重建。

申请号为CN201510020299.1的中国专利公开了一种基于凝胶拓印及图形像素技术获取软组织表面形变方法,涉及一种服装人体工效学研究软组织表面形变图与计算形变率获取软组织表面形变测量的方法,目的是解决获取软组织表面形变图可操作性差及动作或部位局限，利用此方法可以获取任何动作下的部位软组织表面形变图以及计算出网格软组织表面形变率。

尽管对于软组织表面形变方法的研究成果较为丰富，但是在某些方面依然存在一些问题，如低精度的软组织表面模型形变产生的细节不足，提高细节时需要产生额外的计算量，在保证局部形变的同时很难兼顾到全局的形变等问题。以上方法都只提到了软组织表面形变的仿真方法，但均未涉及软组织表面刺穿仿真方法。

本发明针对目前软组织表面形变存在的问题，结合虚拟手术中对软组织表面进行刺穿需要达到实时交互、真实感高等要求，以软组织表面为对象进行刺穿仿真研究，给了一种软组织表面刺穿仿真方法及装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种软组织表面刺穿仿真方法及装置，能够保证在不丢失软组织表面受力形变的细节的同时实现软组织表面刺穿的实时仿真。

为了解决上述技术问题，本发明采用的一种技术方案为：

一种软组织表面刺穿仿真方法，包括步骤：

S1、获取软组织表面的数据信息，并建立相应的质点-弹簧模型；

S2、检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息，并根据所述碰撞信息和质点-弹簧模型通过预设的规则计算软组织表面的形变信息；

S3、接收预设的指令，并根据所述指令对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型。

为了解决上述技术问题，本发明采用的另一种技术方案为：

一种软组织表面刺穿仿真装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

S1、获取软组织表面的数据信息，并建立相应的质点-弹簧模型；

S2、检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息，并根据所述碰撞信息和质点-弹簧模型通过预设的规则计算软组织表面的形变信息；

S3、接收预设的指令，并根据所述指令对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型。

本发明的有益效果在于：通过获取软组织表面的数据信息，并建立相应的质点-弹簧模型；检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息，并根据所述碰撞信息和质点-弹簧模型通过预设的规则计算软组织表面的形变信息；接收预设的指令，并根据所述指令对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型，保证了在不丢失软组织表面受力形变的细节的同时实现软组织表面刺穿的实时仿真。

附图说明

图1为本发明软组织表面刺穿仿真方法的流程图；

图2为本发明软组织表面刺穿仿真装置的结构示意图；

图3为本发明软组织表面刺穿仿真方法的效果图；

图4为本发明软组织表面刺穿仿真结果对比图；

标号说明：

1、软组织表面刺穿仿真装置；2、存储器；3、处理器。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1，一种软组织表面刺穿仿真方法，包括步骤：

S1、获取软组织表面的数据信息，并建立相应的质点-弹簧模型；

S2、检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息，并根据所述碰撞信息和质点-弹簧模型通过预设的规则计算软组织表面的形变信息；

S3、接收预设的指令，并根据所述指令对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过获取软组织表面的数据信息，并建立相应的质点-弹簧模型；检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息，并根据所述碰撞信息和质点-弹簧模型通过预设的规则计算软组织表面的形变信息；接收预设的指令，并根据所述指令对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型，保证了在不丢失软组织表面受力形变的细节的同时实现软组织表面刺穿的实时仿真。

进一步的，所述数据信息包括软组织表面几何模型数据和软组织表面几何模型贴图数据。

进一步的，所述的通过预设的规则计算软组织表面的形变信息具体为：

通过泊松方程和体积保持约束方程计算软组织表面的形变信息。

由上述描述可知，在传统虚拟手术***中进行模拟时，软组织表面刺穿形变只简单的对模型进行拉伸形变，丢失了现实中软组织表面受力形变的一些细节效果，且传统的软组织表面形变计算方法计算量大，不适合高精度模型的实时仿真，而本申请通过泊松方程和体积保持约束方程计算软组织表面的形变信息，保证了在不丢失软组织表面受力形变的细节的同时实现软组织表面刺穿的实时仿真。

进一步的，所述步骤S2具体包括：

S21、判断刺穿针是否与软组织表面发生碰撞，若是，则检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息；

S22、根据所述碰撞信息对所述质点-弹簧模型进行求解，得到软组织表面初始质点位置向量；

S23、根据所述初始质点位置向量通过泊松方程进行计算，得到泊松形变后软组织表面质点位置向量；

S24、根据所述形变后质点位置向量带入体积保持约束方程中进行计算，得到体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量；

S25、根据所述体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量更新所述软组织表面质点位置。

由上述描述可知，通过判断刺穿针是否与软组织表面发生碰撞，若是，则检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息；根据所述碰撞信息对所述质点-弹簧模型进行求解，得到软组织表面初始质点位置向量；根据所述初始质点位置向量通过泊松方程进行计算，得到泊松形变后软组织表面质点位置向量；根据所述形变后质点位置向量带入体积保持约束方程中进行计算，得到体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量；根据所述体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量更新所述软组织表面质点位置，有效的降低了软组织表面形变的计算量。

进一步的，所述的对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型具体为：

通过OpenGL对形变信息进行渲染，并采用装配线的方式进行数据处理，得到可视化的仿真模型。

由上述描述可知，通过OpenGL对形变信息进行渲染，并采用装配线的方式进行数据处理，得到可视化的仿真模型，增强了仿真模型的真实感。

请参照图2，一种软组织表面刺穿仿真装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

S1、获取软组织表面的数据信息，并建立相应的质点-弹簧模型；

S2、检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息，并根据所述碰撞信息和质点-弹簧模型通过预设的规则计算软组织表面的形变信息；

S3、接收预设的指令，并根据所述指令对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：通过获取软组织表面的数据信息，并建立相应的质点-弹簧模型；检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息，并根据所述碰撞信息和质点-弹簧模型通过预设的规则计算软组织表面的形变信息；接收预设的指令，并根据所述指令对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型，保证了在不丢失软组织表面受力形变的细节的同时实现软组织表面刺穿的实时仿真。

进一步的，所述数据信息包括软组织表面几何模型数据和软组织表面几何模型贴图数据。

进一步的，所述的通过预设的规则计算软组织表面的形变信息具体为：

通过泊松方程和体积保持约束方程计算软组织表面的形变信息。

由上述描述可知，在传统虚拟手术***中进行模拟时，软组织表面刺穿形变只简单的对模型进行拉伸形变，丢失了现实中软组织表面受力形变的一些细节效果，且传统的软组织表面形变计算方法计算量大，不适合高精度模型的实时仿真，而本申请通过泊松方程和体积保持约束方程计算软组织表面的形变信息，保证了在不丢失软组织表面受力形变的细节的同时实现软组织表面刺穿的实时仿真。

进一步的，所述步骤S2具体包括：

S21、判断刺穿针是否与软组织表面发生碰撞，若是，则检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息；

S22、根据所述碰撞信息对所述质点-弹簧模型进行求解，得到软组织表面初始质点位置向量；

S23、根据所述初始质点位置向量通过泊松方程进行计算，得到泊松形变后软组织表面质点位置向量；

S24、根据所述形变后质点位置向量带入体积保持约束方程中进行计算，得到体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量；

S25、根据所述体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量更新所述软组织表面质点位置。

由上述描述可知，通过判断刺穿针是否与软组织表面发生碰撞，若是，则检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息；根据所述碰撞信息对所述质点-弹簧模型进行求解，得到软组织表面初始质点位置向量；根据所述初始质点位置向量通过泊松方程进行计算，得到泊松形变后软组织表面质点位置向量；根据所述形变后质点位置向量带入体积保持约束方程中进行计算，得到体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量；根据所述体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量更新所述软组织表面质点位置，有效的降低了软组织表面形变的计算量。

进一步的，所述的对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型具体为：

通过OpenGL对形变信息进行渲染，并采用装配线的方式进行数据处理，得到可视化的仿真模型。

由上述描述可知，通过OpenGL对形变信息进行渲染，并采用装配线的方式进行数据处理，得到可视化的仿真模型，增强了仿真模型的真实感。

实施例一

请参照图1，一种软组织表面刺穿仿真方法，包括步骤：

S1、获取软组织表面的数据信息，并建立相应的质点-弹簧模型；

S2、检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息，并根据所述碰撞信息和质点-弹簧模型通过预设的规则计算软组织表面的形变信息；

S3、接收预设的指令，并根据所述指令对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型；

所述数据信息包括软组织表面几何模型数据和软组织表面几何模型贴图数据；

所述的通过预设的规则计算软组织表面的形变信息具体为：

通过泊松方程和体积保持约束方程计算软组织表面的形变信息；

所述步骤S2具体包括：

S21、判断刺穿针是否与软组织表面发生碰撞，若是，则检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息；

S22、根据所述碰撞信息对所述质点-弹簧模型进行求解，得到软组织表面初始质点位置向量；

S23、根据所述初始质点位置向量通过泊松方程进行计算，得到泊松形变后软组织表面质点位置向量；

S24、根据所述形变后质点位置向量带入体积保持约束方程中进行计算，得到体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量；

S25、根据所述体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量更新所述软组织表面质点位置；

所述的对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型具体为：

通过OpenGL对形变信息进行渲染，并采用装配线的方式进行数据处理，得到可视化的仿真模型。

实施例二

本实施例和实施例一的区别在于，本实施例将结合具体的应用场景，进一步说明本发明上述软组织表面刺穿仿真方法是如何实现的：

1、数据读取过程

1.1、获取软组织表面的数据信息，并建立相应的质点-弹簧模型；

具体的，所述数据信息包括软组织表面几何模型数据和软组织表面几何模型贴图数据(纹理数据)；

1.2、对模型数据进行读取，首先需要调用的是函数LoadModelData，在LoadModelData中，***使用开源库ASSIMP用于加载模型数据到ASSIMP中一个叫scenedata的数据结构中。scenedata数据结构是ASSIMP库数据接口的根对象，当有了这个对象以后，***就可以得到加载的所有数据。使用ASSIMP库加载模型后还需要对数据进一步的处理，将ASSIMP库的aiMesh对象转换为***自建Model模型对象中，获得模型的所有数据，分别为三角网格顶点、三角网格索引、四面体索引；

1.3、在纹理数据读取过程中，***通过调用SOIL开源库对的SOIL_load_image函数对纹理数据进行读取。函数首先需要输入纹理数据的路径，然后两个int类型的指针作为第二和第三个参数，这时SOIL开源库会返回纹理数据的宽度和高度。在后面渲染生成纹理时会用到纹理数据的宽度和高度。第四个参数表示图片的通道数量，这里设置为0。第五个参数用来告诉函数如何读取纹理数据，这里只需要读取纹理数据的RGB值。函数执行以后会将数据存储为一个很大的char数组。

2、软组织表面刺穿形变过程

检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息，并根据所述碰撞信息和质点-弹簧模型通过预设的规则计算软组织表面的形变信息；

2.1、判断刺穿针是否与软组织表面发生碰撞，若是，则检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息；

2.2、根据所述碰撞信息对所述质点-弹簧模型进行求解，得到软组织表面初始质点位置向量；

2.3、根据所述初始质点位置向量通过泊松方程进行计算，得到泊松形变后软组织表面质点位置向量，所述泊松方程为：

其中，w表示软组织表面几何模型三角网格的表面常矢量，▽·w表示矢量场的散度，f表示待求解的形变后的软组织表面几何模型三角网格，f^*提供了在边界

上可取的值，Δf为软组织表面三角网格的Laplacian算子，是该泊松方程的狄利克雷边界值。Laplacian坐标常用在三角网格的形变、平滑和去噪等方面。对于单个三角网格顶点，Laplacian算子定义为与其1-邻域顶点的质心偏差。将Laplacian坐标δ_i使用余切Laplacian权值表示为：

其中，α_ij,β_ij表示边p_ij两个相邻三角网格的对角。将软组织表面几何模型三角网格分别赋值坐标值，于是得到软组织表面几何模型三角网格上的梯度场，梯度场公式表示为：

其中，b_j,b_k表示边p_ik,p_ij上的点。

软组织表面几何模型的三角网格矢量场的梯度的散度表示为：

其中，三角网格T_k的面积表示为A_k，▽B_ik表示为点p_i的分段线性函数在一个三角网格T_k上的梯度，▽B_ik的值等于三角形T_k中p_i对边的高的倒数。

对泊松方程细化得到：

公式(5)表示泊松方程进行求解的过程中，Laplacian矩阵只需要计算一次，之后的计算过程中作为一个定值。公式(4-5)等号左边第二项为泊松方程的未知数，也表示将软组织表面几何模型形变后的三维空间坐标。将形变后的三维坐标交给OpenGL图形库渲染就可以在屏幕上得到形变后的软组织表面几何模型；

2.4、根据所述形变后质点位置向量带入体积保持约束方程中进行计算，得到体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量；

2.5、根据所述体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量更新所述软组织表面质点位置；

3、交互过程

交互过程主要通过消息事件进行处理，通过执行函数来处理用户触发的事件。本***中使用其中一个MFC函数来实现键盘监听事件，其函数原型为：

void OnKeyDown(UINT nChar,UINT nRepCnt,UINT nFlags)；

在原型***中，键盘事件为***提供两个功能：1、控制仿真***。例如，按下键盘的“Space”键可以开始或暂停刺穿仿真；按下键盘的“E”键可以在逐帧仿真时通知***进入下一帧的仿真。2、切换模型的渲染方式。例如，按下键盘的“W”键可以控制模型以线框显示还是填充显示；按下键盘的“T”键可以改变模型贴图渲染的状态。

鼠标事件可以提供比键盘事件更为丰富的操作，MFC的鼠标事件提供了如滑动、点击和鼠标滚轮的滚动等函数接口，这些函数接口是***可以监听到用户的鼠标行为。鼠标的任何动作都会被监听并调用相应的响应函数。要实现用户控制的鼠标在窗口中移动并按下左键时触发相应的功能，就要用MFC提供的鼠标事件函数对鼠标移动进行监听：

void OnMouseHover(UINT nFlags,CPointpoint)；

用球坐标系表示OpenGL渲染的虚拟场景中的相机位置：。当鼠标滑动且按下左键时：如果左右滑动鼠标，将会改变相机坐标的的取值，这时相机围绕物体水平移动；如果上下滑动鼠标，将会改变值，相机的仰视角度会被改变。

滚动鼠标滚轮也会触发事件，鼠标滚轮函数用于监听用户对滚轮的操作函数为：

bool OnMouseWheel(UINT nFlags,short zDelta,CPointpt)；

本***使用滚轮函数调节相机球坐标的值。通过值的变化来改变摄像机与模型的距离，使模型在可视范围内。

4、接收预设的指令，并根据所述指令对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型；

所述数据信息包括软组织表面几何模型数据和软组织表面几何模型贴图数据；

所述的通过预设的规则计算软组织表面的形变信息具体为：

通过泊松方程和体积保持约束方程计算软组织表面的形变信息；

具体包括：

所述的对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型具体为：

通过OpenGL对形变信息进行渲染，并采用装配线的方式进行数据处理，得到可视化的仿真模型；

具体的，OpenGL图形库分别处理顶点数据和像素数据，在光栅化阶段后经过相同的处理步骤。在渲染管线中，求值器首先将顶点数据处理为标准化设备坐标。接着，图元装配阶段将逐个顶点作为输入，并将所有的点装配成图元的形状。在光栅化阶段，将图元映射成屏幕上相应的像素，并执行裁切。裁切超出视图之外的所有像素，提升渲染效率。在光栅化后，片段操作会为每个像素计算一个最终的颜色，通常包含三维场景数据，如光照，阴影，纹理数据等。经过渲染管线一系列的处理后把数据传递给帧缓冲区，导入的模型就会显示在***界面上；

本发明所提出的一种软组织表面刺穿仿真方法通过VS2015和OpenGL图形库实现，操作***是Windows 764位。实验使用的硬件配置是Intel [email protected]四核处理器，8G内存。表1给出了实验C软组织表面几何模型刺穿形变数据对比，从表中可以看出：在相同的条件下，结合体积保持方法的形变计算量比单独使用泊松形变方法的计算量更大，但实时帧率两者接近，能达到实时性的要求。未使用泊松形变与体积保持方法的传统质点-弹簧方法计算量小，CPU占用率低，但是真实感不强。

表1软组织表面刺穿形变数据对比

图3中(a)表示第0帧，(b)表示第50帧，(c)表示第150帧，(d)表示第305帧，由图3可知，刺穿仿真到第50帧时，刺穿针与软组织表面发生碰撞，这时刺穿针对软组织表面几何模型施加外力使软组织表面开始形变；刺穿针继续对软组织表面施加外力，第150帧时软组织表面形变产生褶皱效果；当仿真到305帧时，软组织表面形变增大，产生更多的褶皱。使用本申请基于泊松方程和体积保持约束方程的软组织表面刺穿形变仿真方法与未使用体积保持的泊松形变方法对软组织表面模型进行刺穿仿真对比，仿真时使用相同的软组织表面几何模型，相同的刺穿力和相同的虚拟弹簧弹性系数。

图4中(a)表示现有的未使用体积保持方程的泊松形变方法，(b)表示本申请基于泊松方程和体积保持约束方程，由图4可知，未使用体积保持的泊松形变方法在软组织表面形变时软组织表面不能产生平滑的过渡，如图4(a)所示。而本申请基于泊松方程和体积保持约束方程的软组织表面刺穿形变仿真方法在软组织表面形变时能在形变区域的边缘产生平滑过渡，如图4(b)所示，在视觉上提升了刺穿仿真的真实感。

实施例三

请参照图2，一种软组织表面刺穿仿真装置1，包括存储器2、处理器3及存储在存储器2上并可在处理器3上运行的计算机程序，所述处理器3执行所述程序时实现实施例一中的各个步骤。

综上所述，本发明提供的一种软组织表面刺穿仿真方法及装置，通过获取软组织表面的数据信息，并建立相应的质点-弹簧模型；检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息，并根据所述碰撞信息和质点-弹簧模型通过预设的规则计算软组织表面的形变信息；接收预设的指令，并根据所述指令对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型，保证了在不丢失软组织表面受力形变的细节的同时实现软组织表面刺穿的实时仿真，在传统虚拟手术***中进行模拟时，软组织表面刺穿形变只简单的对模型进行拉伸形变，丢失了现实中软组织表面受力形变的一些细节效果，且传统的软组织表面形变计算方法计算量大，不适合高精度模型的实时仿真，而本申请通过泊松方程和体积保持约束方程计算软组织表面的形变信息，保证了在不丢失软组织表面受力形变的细节的同时实现软组织表面刺穿的实时仿真，通过判断刺穿针是否与软组织表面发生碰撞，若是，则检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息；根据所述碰撞信息对所述质点-弹簧模型进行求解，得到软组织表面初始质点位置向量；根据所述初始质点位置向量通过泊松方程进行计算，得到泊松形变后软组织表面质点位置向量；根据所述形变后质点位置向量带入体积保持约束方程中进行计算，得到体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量；根据所述体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量更新所述软组织表面质点位置，有效的降低了软组织表面形变的计算量。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种软组织表面刺穿仿真方法，其特征在于，包括步骤：

S1、获取软组织表面的数据信息，并建立相应的质点-弹簧模型；

S2、检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息，并根据所述碰撞信息和质点-弹簧模型通过预设的规则计算软组织表面的形变信息；

S3、接收预设的指令，并根据所述指令对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型；

步骤S2具体包括：

S21、判断刺穿针是否与软组织表面发生碰撞，若是，则检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息；

S22、根据所述碰撞信息对所述质点-弹簧模型进行求解，得到软组织表面初始质点位置向量；

S23、根据所述初始质点位置向量通过泊松方程进行计算，得到泊松形变后软组织表面质点位置向量；

S24、根据形变后质点位置向量带入体积保持约束方程中进行计算，得到体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量；

S25、根据所述体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量更新所述软组织表面质点位置；

根据所述初始质点位置向量通过泊松方程进行计算，得到泊松形变后软组织表面质点位置向量，所述泊松方程为：

其中，w表示软组织表面几何模型三角网格的表面常矢量，

表示矢量场的散度，f表示待求解的形变后的软组织表面几何模型三角网格，f^*提供了在边界

上可取的值，Δf为软组织表面三角网格的Laplacian算子，是该泊松方程的狄利克雷边界值，Laplacian坐标常用在三角网格的形变、平滑和去噪，对于单个三角网格顶点，Laplacian算子定义为与其1-邻域顶点的质心偏差，将Laplacian坐标δ_i使用余切Laplacian权值表示为：

其中，α_ij,β_ij表示边p_ij两个相邻三角网格的对角，将软组织表面几何模型三角网格分别赋值坐标值，于是得到软组织表面几何模型三角网格上的梯度场，梯度场公式表示为：

其中，b_j,b_k表示边p_ik,p_ij上的点，

软组织表面几何模型的三角网格矢量场的梯度的散度表示为：

其中，三角网格T_k的面积表示为A_k，

表示为点p_i的分段线性函数在一个三角网格T_k上的梯度，

的值等于三角形T_k中p_i对边的高的倒数，

对泊松方程细化得到：

公式(5)表示泊松方程进行求解的过程中，Laplacian矩阵只需要计算一次，之后的计算过程中作为一个定值，公式(5)等号左边第二项为泊松方程的未知数，也表示将软组织表面几何模型形变后的三维空间坐标，将形变后的三维坐标交给OpenGL图形库渲染就可以在屏幕上得到形变后的软组织表面几何模型。

2.根据权利要求1所述的软组织表面刺穿仿真方法，其特征在于，所述数据信息包括软组织表面几何模型数据和软组织表面几何模型贴图数据。

3.根据权利要求1所述的软组织表面刺穿仿真方法，其特征在于，所述的通过预设的规则计算软组织表面的形变信息具体为：

通过泊松方程和体积保持约束方程计算软组织表面的形变信息。

4.根据权利要求1所述的软组织表面刺穿仿真方法，其特征在于，所述的对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型具体为：

通过OpenGL对形变信息进行渲染，并采用装配线的方式进行数据处理，得到可视化的仿真模型。

5.一种软组织表面刺穿仿真装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

S1、获取软组织表面的数据信息，并建立相应的质点-弹簧模型；

S2、检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息，并根据所述碰撞信息和质点-弹簧模型通过预设的规则计算软组织表面的形变信息；

S3、接收预设的指令，并根据所述指令对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型；

步骤S2具体包括：

S21、判断刺穿针是否与软组织表面发生碰撞，若是，则检测刺穿针与所述软组织表面的碰撞信息；

S22、根据所述碰撞信息对所述质点-弹簧模型进行求解，得到软组织表面初始质点位置向量；

S23、根据所述初始质点位置向量通过泊松方程进行计算，得到泊松形变后软组织表面质点位置向量；

S24、根据形变后质点位置向量带入体积保持约束方程中进行计算，得到体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量；

S25、根据所述体积保持约束条件下软组织表面质点位置向量更新所述软组织表面质点位置；

根据所述初始质点位置向量通过泊松方程进行计算，得到泊松形变后软组织表面质点位置向量，所述泊松方程为：

其中，w表示软组织表面几何模型三角网格的表面常矢量，

表示矢量场的散度，f表示待求解的形变后的软组织表面几何模型三角网格，f^*提供了在边界

上可取的值，Δf为软组织表面三角网格的Laplacian算子，是该泊松方程的狄利克雷边界值，Laplacian坐标常用在三角网格的形变、平滑和去噪，对于单个三角网格顶点，Laplacian算子定义为与其1-邻域顶点的质心偏差，将Laplacian坐标δ_i使用余切Laplacian权值表示为：

其中，α_ij,β_ij表示边p_ij两个相邻三角网格的对角，将软组织表面几何模型三角网格分别赋值坐标值，于是得到软组织表面几何模型三角网格上的梯度场，梯度场公式表示为：

其中，b_j,b_k表示边p_ik,p_ij上的点，

软组织表面几何模型的三角网格矢量场的梯度的散度表示为：

其中，三角网格T_k的面积表示为A_k，

表示为点p_i的分段线性函数在一个三角网格T_k上的梯度，

的值等于三角形T_k中p_i对边的高的倒数，

对泊松方程细化得到：

公式(5)表示泊松方程进行求解的过程中，Laplacian矩阵只需要计算一次，之后的计算过程中作为一个定值，公式(5)等号左边第二项为泊松方程的未知数，也表示将软组织表面几何模型形变后的三维空间坐标，将形变后的三维坐标交给OpenGL图形库渲染就可以在屏幕上得到形变后的软组织表面几何模型。

6.根据权利要求5所述的软组织表面刺穿仿真装置，其特征在于，所述数据信息包括软组织表面几何模型数据和软组织表面几何模型贴图数据。

7.根据权利要求5所述的软组织表面刺穿仿真装置，其特征在于，所述的通过预设的规则计算软组织表面的形变信息具体为：

通过泊松方程和体积保持约束方程计算软组织表面的形变信息。

8.根据权利要求5所述的软组织表面刺穿仿真装置，其特征在于，所述的对所述形变信息进行渲染，得到可视化的仿真模型具体为：

通过OpenGL对形变信息进行渲染，并采用装配线的方式进行数据处理，得到可视化的仿真模型。

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