模拟生物力学特性的实时软组织形变方法和系统技术方案

一种模拟生物力学特性的实时软组织形变方法，其包括如下步骤：S1、基于软组织器官三维可视化数据生成软组织物理模型数据；S2、基于软组织物理模型数据生成碰撞检测模型数据；S3、通过游戏引擎加载物理模型数据和碰撞检测模型数据进行碰撞检测；S4、通过约束的最优化求解方法来计算软组织变形后的状态。

【技术实现步骤摘要】
模拟生物力学特性的实时软组织形变方法和系统
本专利技术涉及计算机图形学
，特别涉及一种模拟生物力学特性的实时软组织形变方法和系统。
技术介绍
手术模拟器能够无损耗的帮助训练者熟悉真实手术流程和操作。它通过软件上的可视化渲染和硬件机械手上的交互反馈实现了科学和可重复的训练。相较于基于生物器官的手术训练，它的学习成本低，而且训练有效性也得到保证。软组织变形的模拟涉及到手术模拟器的三个关键部分:手术环境的渲染，器械器官的交互以及力反馈。因此它是手术模拟器开发中最重要的部分。通常一个优秀的形变算法使得模拟器更接近临床表现。同时准确的形变，撕裂，流血及力反馈让训练更有效。为了达到流畅和真实的操作。软组织变形模拟算法实现时需要达到真实性和实时性的兼容。然而软组织作为粘弹性体，表现出更复杂的非线性形变行为，比较于完全弹性和完全黏性体。包括蠕变，应力松弛或者不可压缩等几何特征。因此开发一个稳定而快速的实时模拟软组织变形的非线性行为的方法很重要。实时形变算法的发展伴随着硬件计算能力的提升。在早期工作中，由于较低的计算表现，几何技术被用于模拟形变。在这些情况中，物理的准确性被牺牲给计算效率，系统也不了解对象的材料特性。随着计算能力的进步，基于物理的方法发展了起来。在这个领域也有着两个不同的方向。一个方向是求解基于连续物理模型的偏微分方程。比较典型的有基于网格划分的有限元方法，该方法使用同样的策略比如有限体积法和有限差分法。同时另一类基于邻近支持域离散的无网格方法最近也得到应用，如SPH，RPIM等。基于连续力学的物理模型的优势是准确性足够到能够反映真实对象的物理属性。他们被广泛应用于结构分析和电磁辐射模拟计算。但是在手术模拟的应用中的目标是达到能够反映软组织的重要物理特征，比如粘弹性不可压缩性等。因此，在这些实时的领域，选择另一类所谓看起来像物理的方法是合适的，比如弹簧振子模型，链式模型和基于位置的动态模型。通过抽象出典型的特征到这类模型中，他们能够达到很高的计算效率。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出一种模拟生物力学特性的实时软组织形变方法和系统。一种模拟生物力学特性的实时软组织形变方法，其包括如下步骤：S1、基于软组织器官三维可视化数据生成软组织物理模型数据；S2、基于软组织物理模型数据生成碰撞检测模型数据；S3、通过游戏引擎加载物理模型数据和碰撞检测模型数据进行碰撞检测；S4、通过约束的最优化求解方法来计算软组织变形后的状态。在本专利技术所述的模拟生物力学特性的实时软组织形变方法中，所述步骤S1包括：分析软组织的拓扑结构，引入相应的约束和质点分布实现表征器官的变形变现与拓扑结构相关的效果。在本专利技术所述的模拟生物力学特性的实时软组织形变方法中，所述步骤S2包括：通过三角形和球形的基本单元来构成软组织物理模型；通过改进的空间hash算法对软组织物理模型中基本单元进行AABB包围盒的计算；通过空间hash算法将AABB包围盒索引存储于一个hash数组中；遍历所有的hash数组对数组内的元素进行一一碰撞检测；AABB包围盒用于投影基本单元对象到坐标轴的三个不同方向，同时维持一个二维的数组来存储每一个基元与基元之间的碰撞检测状态来避免重复检测碰撞；在碰撞检测结束后，进行碰撞响应的计算实现达到移动基本单元到不碰撞的状态。在本专利技术所述的模拟生物力学特性的实时软组织形变方法中，所述步骤S3包括：通过Unity3D游戏引擎进行虚拟手术场景的渲染构建；渲染构建包括场景的碰撞检测和物理计算，场景的渲染和机械手设备数据采集处理功能被置于Unity3D运行时环境中。在本专利技术所述的模拟生物力学特性的实时软组织形变方法中，所述步骤S4包括：将需要模拟的对象以质点的集合，约束的集合以及弹簧的集合来进行离散，在每一个固定时间步长中，需要通过计算得到的数据为质点集合的位置；对于生物力学相关的非线性和粘弹性通过弹簧振子模型来描述，对于拓扑结构相关的特性通过基于位置的动态模拟来描述。本专利技术还提供一种模拟生物力学特性的实时软组织形变系统，其包括如下单元：软组织物理模型生成单元，用于基于软组织器官三维可视化数据生成软组织物理模型数据；碰撞检测模型生成单元，用于基于软组织物理模型数据生成碰撞检测模型数据；碰撞检测单元，用于通过游戏引擎加载物理模型数据和碰撞检测模型数据进行碰撞检测；软组织变形计算单元，用于通过约束的最优化求解方法来计算软组织变形后的状态。在本专利技术所述的模拟生物力学特性的实时软组织形变系统中，所述软组织物理模型生成单元包括：分析软组织的拓扑结构，引入相应的约束和质点分布实现表征器官的变形变现与拓扑结构相关的效果。在本专利技术所述的模拟生物力学特性的实时软组织形变系统中，所述碰撞检测模型生成单元包括：通过三角形和球形的基本单元来构成软组织物理模型；通过改进的空间hash算法对软组织物理模型中基本单元进行AABB包围盒的计算；通过空间hash算法将AABB包围盒索引存储于一个hash数组中；遍历所有的hash数组对数组内的元素进行一一碰撞检测；AABB包围盒用于投影基本单元对象到坐标轴的三个不同方向，同时维持一个二维的数组来存储每一个基元与基元之间的碰撞检测状态来避免重复检测碰撞；在碰撞检测结束后，进行碰撞响应的计算实现达到移动基本单元到不碰撞的状态。在本专利技术所述的模拟生物力学特性的实时软组织形变系统中，所述碰撞检测单元包括：通过Unity3D游戏引擎进行虚拟手术场景的渲染构建；渲染构建包括场景的碰撞检测和物理计算，场景的渲染和机械手设备数据采集处理功能被置于Unity3D运行时环境中。在本专利技术所述的模拟生物力学特性的实时软组织形变系统中，所述软组织变形计算单元包括：将需要模拟的对象以质点的集合，约束的集合以及弹簧的集合来进行离散，在每一个固定时间步长中，需要通过计算得到的数据为质点集合的位置；对于生物力学相关的非线性和粘弹性通过弹簧振子模型来描述，对于拓扑结构相关的特性通过基于位置的动态模拟来描述。实施本专利技术提供的模拟生物力学特性的实时软组织形变方法和系统与现有技术相比具有以下有益效果：首先针对于实体模型和空腔模型采用了不同的特征约束来表现拓扑结构上的不同，而对于非线性，粘弹性等生物力学特征通过粘弹簧模型来表现。在最后质点位置求解时，通过基于高斯赛德尔迭代的位置动态模拟实现无条件稳定的求解。此外本专利技术的算法简单，速度快，可有效地用于虚拟手术系统的软组织形变仿真中。附图说明图1是本专利技术实施例的模拟生物力学特性的实时软组织形变方法流程图；图2是实体肝脏物理模型以及空腔胆囊物理模型构建过程示意图；图3是构建腹腔镜胆囊切除场景图；图4是a部分为原始状态，b部分为器械提拉肝脏的效果，c部分为器械同时夹持肝脏和胆囊的效果；图5是点与点碰撞约束示意图；图6是点与三角形碰撞约束示意图；图7是变形测试图；图8是体约束效果图；图9是全局约束效果图；图10是方法稳定性测试图。具体实施方式如图1所示，本专利技术实施例提供一种模拟生物力学特性的实时软组织形变方法，包括如下步骤:S1、基于软组织器官三维可视化数据生成软组织物理模型数据；S2、基于软组织物理模型数据生成碰撞检测模型数据；S3、通过游戏引擎加载物理模型数据和碰撞检测模型数据进行碰撞检测；S4、通过约束的最优化求本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟生物力学特性的实时软组织形变方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1、基于软组织器官三维可视化数据生成软组织物理模型数据；S2、基于软组织物理模型数据生成碰撞检测模型数据；S3、通过游戏引擎加载物理模型数据和碰撞检测模型数据进行碰撞检测；S4、通过约束的最优化求解方法来计算软组织变形后的状态。

【技术特征摘要】
1.一种模拟生物力学特性的实时软组织形变方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1、基于软组织器官三维可视化数据生成软组织物理模型数据；S2、基于软组织物理模型数据生成碰撞检测模型数据；S3、通过游戏引擎加载物理模型数据和碰撞检测模型数据进行碰撞检测；S4、通过约束的最优化求解方法来计算软组织变形后的状态。2.如权利要求1所述的模拟生物力学特性的实时软组织形变方法，其特征在于，所述步骤S1包括：分析软组织的拓扑结构，引入相应的约束和质点分布实现表征器官的变形变现与拓扑结构相关的效果。3.如权利要求2所述的模拟生物力学特性的实时软组织形变方法，其特征在于，所述步骤S2包括：通过三角形和球形的基本单元来构成软组织物理模型；通过改进的空间hash算法对软组织物理模型中基本单元进行AABB包围盒的计算；通过空间hash算法将AABB包围盒索引存储于一个hash数组中；遍历所有的hash数组对数组内的元素进行一一碰撞检测；AABB包围盒用于投影基本单元对象到坐标轴的三个不同方向，同时维持一个二维的数组来存储每一个基元与基元之间的碰撞检测状态来避免重复检测碰撞；在碰撞检测结束后，进行碰撞响应的计算实现达到移动基本单元到不碰撞的状态。4.如权利要求3所述的模拟生物力学特性的实时软组织形变方法，其特征在于，所述步骤S3包括：通过Unity3D游戏引擎进行虚拟手术场景的渲染构建；渲染构建包括场景的碰撞检测和物理计算，场景的渲染和机械手设备数据采集处理功能被置于Unity3D运行时环境中。5.如权利要求4所述的模拟生物力学特性的实时软组织形变方法，其特征在于，所述步骤S4包括：将需要模拟的对象以质点的集合，约束的集合以及弹簧的集合来进行离散，在每一个固定时间步长中，需要通过计算得到的数据为质点集合的位置；对于生物力学相关的非线性和粘弹性通过弹簧振子模型来描述，对于拓扑结构相关的特性通过基于位置的动态模拟来描述。6.一种模拟生物力学特性的实时软组织形变系统，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘谦，徐浪，卢昱华，李文成，郭琛琛，
申请(专利权)人：华中科技大学鄂州工业技术研究院，华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42