CN116561935B - 一种基于体弹簧和多尺度体积不变的软组织形变模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于体弹簧和多尺度体积不变的软组织形变模拟方法，属于软组织模型技术领域，包括：S1、构建软组织模型；所述软组织模型由质子弹簧模型和虚拟体弹簧形成的若干四面体单元构成，每个所述四面体单元中包含3个虚拟体弹簧，用于获取软组织模型表面节点信息及内部体积信息；S2、计算软组织模型多尺度体积不变的体积；S3、基于软组织模型多尺度体积不变的体积，模拟软组织模型的形变过程，确定模型质点在形变过程中的位置坐标，实现软组织形变模拟。本发明方法为虚拟软组织模型快速回弹，提高计算速率，以及更好与力反馈设备交互，有效解决虚拟仿真模型真实性与实时性不高的问题。
Description
技术领域
本发明属于软组织模型技术领域，具体涉及一种基于体弹簧和多尺度体积不变的软组织形变模拟方法。
背景技术
随着虚拟现实技术的发展已经拓展到了医学领域，其中虚拟手术仿真技术就是其典型的应用之一，对于外科医生的培训，练习解决真实手术可能会面临的各种复杂情况起着至关重要的作用，针对现有的虚拟手术中存在的三维重建缺乏准确性，软组织力学参数和形变模型缺乏准确性，而力反馈设备的输入与软组织参数息息相关，软组织的形变效果和参数反馈直接决定了虚拟手术的真实性。虚拟手术仿真技术是虚拟现实与医学相融合的产物。
虚拟手术***由医学影像出发，重构出逼真的虚拟人体组织，搭建虚拟的医学环境，利用交互设备实现操作者与虚拟组织的交互。医生可以在虚拟的三维医学环境中对虚拟软组织实现触碰、切割、缝合等手术操作，实现逼真的外科手术。传统的手术训练主要以尸体标本解剖和临床手术观摩的方式进行，存在成本高、内容随机、训练周期长、效率低等诸多弊端。而虚拟手术***无需高成本的耗材，仅需一套计算机设备即可进行多次身临其境的、规范化的训练，可以作为常规教学以外的有力补充。此外，虚拟手术可以结合新兴的专家***进行远程指导，有助于提高训练质量与效率。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于体弹簧和多尺度体积不变的软组织形变模拟方法解决了现有的软组织形变模拟过程中，虚拟仿真模型真实性与实时性不高的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于体弹簧和多尺度体积不变的软组织形变模拟方法，包括以下步骤：
S1、构建软组织模型；
所述软组织模型由质子弹簧模型和虚拟体弹簧形成的若干四面体单元构成，每个所述四面体单元中包含3个虚拟体弹簧，用于获取软组织模型表面节点信息及内部体积信息；
S2、计算软组织模型多尺度体积不变的体积；
S3、基于软组织模型多尺度体积不变的体积，模拟软组织模型的形变过程，确定模型质点在形变过程中的位置坐标，实现软组织形变模拟。
进一步地，所述步骤S2具体为：
S21、使用AABB包围盒获取软组织模型的三维边界信息；
其中，三维边界信息包括X轴最大值、X轴最小值/>、Y轴最大值/>、Y轴最小值/>、Z轴最大值/>、Z轴最小值/>以及X轴、Y轴和Z轴的边界差/>，/>和/>；
S22、通过二分法对软组织模型进行网格划分，获得细分的立方体；
其中，进行网格划分时，每次取当前立方体三维边界的X轴长度、Y轴长度和Z轴长度的二分之一进行网格划分；
S23、判断当前立方体的八个顶点是否均在原立方体对应的凸多边形内；
其中，原立方体为当前立方体对应的网格划分前的立方体；
若是，则进入步骤S24；
若否，则进入步骤S25；
S24、设置当前软组织模型体积V=Vn-1+Vn，进入步骤S27；
其中，Vn为当前立方体的体积，Vn-1为前一次网格划分时原立方体的体积，下标n为当前网格划分次数的计数值，软组织模型体积V的初始值为0，n为大于等于1的自然数；
S25、判断当前立方体边界差是否小于等于软组织模型边界差的四十分之一；
若是，则进入步骤S26；
若否，则返回步骤S22；
S26、设置当前立方体的体积为，当前软组织模型体积V= Vn-1+/>；
S27、重复步骤S22~S26，直到网格划分次数达到预设值或划分后的所有立方体精度达到预设值，将当前软组织模型体积V作为软组织模型的多尺度体积不变的体积。
进一步地，所述步骤S3具体为：
S31、遍历软组织模型的所有质点，并计算当前质点的质量；
S32、遍历当前质点的所有相邻质点，计算当前质点与其相邻质点间在单步形变后的距离，并计算该距离下当前质点所受的弹簧力；
S33、根据当前质点所受的阻尼力和弹簧力，计算当前质点所受周围相邻质点的合力，并根据当前质点的运动方程计算其在单步形变后的位置；
S34、在有限形变次数的形变过程中内，重复步骤S32~S33，在软组织模型多尺度体积不变的基础上，计算当前质点在最近两次单步形变的位置之差，当位置之差逼近零时，则当前质点形变结束，进而确定当前质点形变后的位置坐标。
进一步地，所述步骤S31中，当前质点的质量为：
式中，为曲面的面密度，/>为当前质点i的一环邻域内的第j个三角面片的面积，j为质点i的一环邻域内的三角面片计数值，/>为三角片面的数量。
进一步地，所述步骤S32中，质点所受周围相邻质点的合力为：
式中，为与质点i相邻的质点数，/>为质点i受到相邻质点k的弹簧力，为质点i受到相邻质点k的阻尼力，/>为质点i受到的外力。
进一步地，所述步骤S33中，当前质点的运动方程为：
式中，为当前质点i的运动位移，/>为当前质点i的运动速度，/>为当前质点i所受周围相邻质点的合力，/>为当前质点i的质量。
进一步地，所述步骤S34中，在有限形变次数的形变过程中，当当前质点的实际形变次数超过设定的最大形变次数时，则当前质点形变结束，进而确定当前质点形变后的位置坐标。
本发明的有益效果为：
1)本发明方法为虚拟软组织模型快速回弹，提高计算速率，以及更好与力反馈设备交互，有效解决虚拟仿真模型真实性与实时性不高的问题。
2) 本发明将多尺度弹簧力学模型与质子弹簧模型进行比较，实验评价指标结果表明，所提出的方法在各向异性，模型仿真度，刷新率相对于原算法更加优异；
3) 本发明提高了软组织形变模拟过程的算法运算速度，降低了计算复杂度；
4）基于本发明方法使得软组织形变模型更贴近真实，更利于医生获取更加真实的力反馈效果；
5）本发明构建的软组织模型更贴近真实。
附图说明
图1为本发明提供的基于体弹簧和多尺度体积不变的软组织形变模拟方法流程图。
图2为本发明提供的加入了体弹簧的质子弹簧结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本发明实施例提供了一种基于体弹簧和多尺度体积不变的软组织形变模拟方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、构建软组织模型；
所述软组织模型由质子弹簧模型和虚拟体弹簧形成的若干四面体单元构成，每个所述四面体单元中包含3个虚拟体弹簧，用于获取软组织模型表面节点信息及内部体积信息；
S2、计算软组织模型多尺度体积不变的体积；
S3、基于软组织模型多尺度体积不变的体积，模拟软组织模型的形变过程，确定模型质点在形变过程中的位置坐标，实现软组织形变模拟。
本发明实施例提供的上述形变模拟过程中，由质子弹簧模型（Mass-SpringModel, MSM）可以模拟真实的形变，因此使用加入体弹簧以及多尺度体积不变方法进行改进，通过加入体弹簧的形式优化软组织形变过程中的力学结构，该模型把对象用质点离散化，当一个质点在外力作用下发生运动时，产生的应力作用在其他相邻质点并带动相邻质点运动, 从而产生形变。传统质点弹簧模型中的弹簧是一种理想的弹簧，弹簧的伸长量与受力成正比，如果在软组织形变中采用传统的质点弹簧模型，很容易产生超弹性现象，影响形变的真实性。本实施例中采取限制体弹簧最大，最小阈值的方式解决弹簧超弹性问题，其中加入了体弹簧的质子弹簧结构如图2所示，其中的外框为最大阈值范围，内框为最小阈值范围。
本发明实施例的步骤S1中，基于待模拟的软组织三维数据和手术器械数据，构建上述软组织模型。
本发明实施例的步骤S2具体为：
S21、使用AABB包围盒获取软组织模型的三维边界信息；
其中，三维边界信息包括X轴最大值、X轴最小值/>、Y轴最大值/>、Y轴最小值/>、Z轴最大值/>、Z轴最小值/>以及X轴、Y轴和Z轴的边界差/>，/>和/>；
S22、通过二分法对软组织模型进行网格划分，获得细分的立方体；
其中，进行网格划分时，每次取当前立方体三维边界的X轴长度、Y轴长度和Z轴长度的二分之一进行网格划分；
S23、判断当前立方体的八个顶点是否均在原立方体对应的凸多边形内；
其中，原立方体为当前立方体对应的网格划分前的立方体；
若是，则进入步骤S24；
若否，则进入步骤S25；
S24、设置当前软组织模型体积V=Vn-1+Vn，进入步骤S27；
其中，Vn为当前立方体的体积，Vn-1为前一次网格划分时原立方体的体积，下标n为当前网格划分次数的计数值，软组织模型体积V的初始值为0，n为大于等于1的自然数；
S25、判断当前立方体边界差是否小于等于软组织模型边界差的四十分之一；
若是，则进入步骤S26；
若否，则返回步骤S22；
S26、设置当前立方体的体积为，当前软组织模型体积V= Vn-1+/>；
S27、重复步骤S22~S26，直到网格划分次数达到预设值或划分后的所有立方体精度达到预设值，将当前软组织模型体积V作为软组织模型的多尺度体积不变的体积。
本发明实施例的步骤S3具体为：
S31、遍历软组织模型的所有质点，并计算当前质点的质量；
S32、遍历当前质点的所有相邻质点，计算当前质点与其相邻质点间在单步形变后的距离，并计算该距离下当前质点所受的弹簧力；
S33、根据当前质点所受的阻尼力和弹簧力，计算当前质点所受周围相邻质点的合力，并根据当前质点的运动方程计算其在单步形变后的位置；
S34、在有限形变次数的形变过程中内，重复步骤S32~S33，在软组织模型多尺度体积不变的基础上，计算当前质点在最近两次单步形变的位置之差，当位置之差逼近零时，则当前质点形变结束，进而确定当前质点形变后的位置坐标。
在本实施例的步骤S31中，对于软组织模型的表面做均质处理，对于均质处理的米格三角面片，根据其面积把质量平均分配到三个顶点上，因此对于每个质点，其质量为：
式中，为曲面的面密度，通常为1，/>为当前质点i的一环邻域内的第j个三角面片的面积，j为质点i的一环邻域内的三角面片计数值，/>为三角片面的数量。
在本实施例的步骤S32中，假设一个质点弹簧***具有N个质点，每个质点同时受到内力和外力的作用，其中内力包括弹簧力和阻尼力，记一个弹簧S(i,k)，该弹簧的两个端点质点记为i和k，在三维直角坐标系中的坐标分别为（）和（/>），则质点所受周围相邻质点的合力/>为：
式中，为与质点i相邻的质点数，/>为质点i受到相邻质点k的弹簧力，为质点i受到相邻质点k的阻尼力，/>为质点i受到的外力。
本实施例的所述步骤S33中，当前质点i的运动方程为：
式中，为当前质点i的运动位移，/>为当前质点i的运动速度，/>为当前质点i所受周围相邻质点的合力，/>为当前质点i的质量。
在本实施例的步骤S34中，在有限形变次数的形变过程中，当当前质点的实际形变次数超过设定的最大形变次数时，则当前质点形变结束，进而确定当前质点形变后的位置坐标。
在本发明实施例中，在软组织形变模拟过程中，对于每个质点形变过程会实时发送到用户端的显示屏中展示软组织形变过程的实时渲染效果，并反馈质点所受力的信息。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于体弹簧和多尺度体积不变的软组织形变模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建软组织模型；
所述软组织模型由质子弹簧模型和虚拟体弹簧形成的若干四面体单元构成，每个所述四面体单元中包含3个虚拟体弹簧，用于获取软组织模型表面节点信息及内部体积信息；
S2、计算软组织模型多尺度体积不变的体积；
S3、基于软组织模型多尺度体积不变的体积，模拟软组织模型的形变过程，确定模型质点在形变过程中的位置坐标，实现软组织形变模拟；
所述步骤S2具体为：
S21、使用AABB包围盒获取软组织模型的三维边界信息；
其中，三维边界信息包括X轴最大值、X轴最小值/>、Y轴最大值/>、Y轴最小值/>、Z轴最大值/>、Z轴最小值/>以及X轴、Y轴和Z轴的边界差/>，/>和/>；
S22、通过二分法对软组织模型进行网格划分，获得细分的立方体；
其中，进行网格划分时，每次取当前立方体三维边界的X轴长度、Y轴长度和Z轴长度的二分之一进行网格划分；
S23、判断当前立方体的八个顶点是否均在原立方体对应的凸多边形内；
其中，原立方体为当前立方体对应的网格划分前的立方体；
若是，则进入步骤S24；
若否，则进入步骤S25；
S24、设置当前软组织模型体积V=Vn-1+Vn，进入步骤S27；
其中，Vn为当前立方体的体积，Vn-1为前一次网格划分时原立方体的体积，下标n为当前网格划分次数的计数值，软组织模型体积V的初始值为0，n为大于等于1的自然数；
S25、判断当前立方体边界差是否小于等于软组织模型边界差的四十分之一；
若是，则进入步骤S26；
若否，则返回步骤S22；
S26、设置当前立方体的体积为，当前软组织模型体积V= Vn-1+/>；
S27、重复步骤S22~S26，直到网格划分次数达到预设值或划分后的所有立方体精度达到预设值，将当前软组织模型体积V作为软组织模型的多尺度体积不变的体积。
2.根据权利要求1所述的基于体弹簧和多尺度体积不变的软组织形变模拟方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
S31、遍历软组织模型的所有质点，并计算当前质点的质量；
S32、遍历当前质点的所有相邻质点，计算当前质点与其相邻质点间在单步形变后的距离，并计算该距离下当前质点所受的弹簧力；
S33、根据当前质点所受的阻尼力和弹簧力，计算当前质点所受周围相邻质点的合力，并根据当前质点的运动方程计算其在单步形变后的位置；
S34、在有限形变次数的形变过程中内，重复步骤S32~S33，在软组织模型多尺度体积不变的基础上，计算当前质点在最近两次单步形变的位置之差，当位置之差逼近零时，则当前质点形变结束，进而确定当前质点形变后的位置坐标。
3.根据权利要求2所述的基于体弹簧和多尺度体积不变的软组织形变模拟方法，其特征在于，所述步骤S31中，当前质点的质量为：
式中，为曲面的面密度，/>为当前质点i的一环邻域内的第j个三角面片的面积，j为质点i的一环邻域内的三角面片计数值，/>为三角片面的数量。
4.根据权利要求2所述的基于体弹簧和多尺度体积不变的软组织形变模拟方法，其特征在于，所述步骤S32中，质点所受周围相邻质点的合力为：
式中，为与质点i相邻的质点数，/>为质点i受到相邻质点k的弹簧力，/>为质点i受到相邻质点k的阻尼力，/>为质点i受到的外力。
5.根据权利要求4所述的基于体弹簧和多尺度体积不变的软组织形变模拟方法，其特征在于，所述步骤S33中，当前质点的运动方程为：
式中，为当前质点i的运动位移，/>为当前质点i的运动速度，/>为当前质点i所受周围相邻质点的合力，/>为当前质点i的质量。
6.根据权利要求2所述的基于体弹簧和多尺度体积不变的软组织形变模拟方法，其特征在于，所述步骤S34中，在有限形变次数的形变过程中，当当前质点的实际形变次数超过设定的最大形变次数时，则当前质点形变结束，进而确定当前质点形变后的位置坐标。
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