一种基于SPH的混合粒子血液模型的流血仿真方法技术

本发明专利技术提供了一种基于SPH的混合粒子血液模型的流血仿真方法，主要包括以下步骤：步骤1，生成血液粒子，血液粒子被分为两种，血浆粒子以及红细胞粒子；步骤2，初始化粒子的可变初速度以及加速度；步骤3，计算混合粒子的支持域；步骤4，计算混合粒子间的压力；步骤5，计算混合粒子间的粘滞力；步骤6，计算血液粒子的位移，速度；步骤7，利用一种适应该模型的混合颜色渲染算法进行渲染。本发明专利技术可以真实的模拟血液流淌的效果，有效避免了血液散开的现象，并提高了血液流淌模型的真实性。实验表明，与传统的血液建模方法相比，该模型在视觉渲染上更具真实性，且在处理不同部位出血状况不同这类复杂模拟中更具真实性。

A blood simulation method based on SPH mixed particle blood model

【技术实现步骤摘要】
一种基于SPH的混合粒子血液模型的流血仿真方法
本专利技术涉及虚拟手术仿真系统中流血模型的构建，用于实现在虚拟手术中对伤口出血及血液流动的模拟。
技术介绍
在真实的手术过程中，在对人体组织器官进行切割等操作时，往往会伴随着流血现象，而血液对手术的影响是不可忽视的，特别是在对精密性要求更高的手术中，血液的出现会在很大程度上影响医生的手术操作，不仅会在视野上造成一定的干扰，在流血速度超出预期时，可能会对病人的生命安全产生威胁，所以流血情况的处理对医生的能力也是个极大的考验。虚拟手术系统作为以再现真实手术过程为目的的一项技术，需要考虑到手术中可能出现的多个影响因素，对组织流血的再现也是必不可少的。在医学手术中，人体组织切割后通常会伴随着流血、渗血以及血液喷涌等现象，在不同的手术场景中，由于环境、操作的差异，血液的流动状况以及出血速度也存在差异，而血液流失过快或处理不当就可能会对病人生命安全产生威胁，考虑到这个因素，国内外的学者们对血液的仿真进行了大量的研究并取得了一系列成果。国外在液体流动方面的研究在很早就开始了。早在19世纪，法国科学家C.-L.-M.-H.纳维提出了粘性流体的运动学方程，但只考虑了不可压缩流体的流动，在英国，物理学家G.G.斯托克斯独立提出粘性系数为一常数的形式，这两位科学家的研究造就了著名的Navier-Stokes方程，简称N-S方程，为以后的流体力学研究奠定基础。Kass等人提出了一种波动方程，通过对方程的迭代求解，可以模拟出雨滴撞击水面与海滩的浪花等现象。基于这种波动方程，Basdogan等人提出使用两种模型来分别应对两种不同的流血现象，即使用粒子系统模型(ParticleSystemModel)来模拟动脉血管出血，使用表面流动模型(SurfaceFlowModel)模拟器官表面流血。Müller等人将血液模拟为具有自由表面的流体，可以很好的模拟出拥有3000个粒子的血液模型。L.Raghupathi等人提出一种模拟腹腔镜血液透析期间出血的方法，并研究出两种独立模型，一种是用来模拟血液的自由流动的粒子系统模型，一种是用来模拟大量血液聚集效果的基于静态流体力学的体积模型(volumeModel)。T.Deschamps等人使用在网格上构建嵌入式边界的方式来使Navier-Stokes方程离散化为不可压缩流体。RafikOuared等人采用格子波尔兹曼(LB)方法进行血流建模，并使用非牛顿校正以重现更真实的血流分布。Rianto等人使用基于高度场的方法，在血量和血流速度的二维数据结构上实现Navier-Stokes方程，并使用GPU来计算，来保证流血效果的实时性。为了计算出血流和血管壁的相互作用，JingQin等人将光滑粒子流体动力学(SmoothedParticleHydrodynamics,SPH)和质点-弹簧模型(MSM)两种技术结合，模拟出了虚拟手术中血管内的血液流动和血管的形变。清华大学的黄伟峰等人采用流体体积模型(volumeoffluid,VOF)追踪流体的运动过程，使用连续表面力模型(continuumsurfaceforce,CSF)模拟出液体表面张力的作用，分析了将不可压缩流体注入微管道时，表面张力的变化状况。粒子间相互作用力模型(IIF)作为另一种表面张力模型，在模拟时有着粒子非物理聚集、流体表面形状不规则现象出现，针对这些现象，董兰芳等对该模型进行了修正，获得了比较稳定和正确的效果。针对弯曲血槽的环境下的少量流血效果的模拟，徐凯等人采用了元球方法构建模型，绘制出弯曲血槽，对血流前端进行动态绘制，对血槽静态绘制，提升了计算速度，但流血的动态效果有限。对于虚拟肝脏手术中的动态渗血效果的模拟，施鹏等人结合流体模拟中的拉格朗日粒子法提出一种渗血模拟仿真模型，并将其与力反馈机制进行结合，获得了很好的交互效果。上海交通大学的郑广超采用了稳定半拉格朗日法，在内窥镜下模拟出血流，其效果在一定程度上符合了虚拟手术对实时性的要求。同样是上海交通大学的孙琦采用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)的方法进行数值分析，在腔-肺吻合结构中模拟出血管腔内的流血效果，证实了该方法在流血模拟方向的可用性。任巨等人结合弹性腔模型，对粒子系统进行改进，并将其应用在虚拟心脏手术系统的流血模拟中。云南师范大学的李忠态对皮肤表面的流血过程进行了研究，提出了血液粒子的椭球体模型，并将弹性腔模型用于皮肤表层毛细血管腔，辅助血液的模拟与血流量计算。血液作为一种流体，无论从力学计算上还是在渲染上都要比固体复杂，在对其进行仿真的过程中会影响到手术系统的响应速度，所以也有不少的学者在提高仿真速度的研究上做出了不少努力。邱文超等人使用了Physx物理引擎来模拟血液流动，利用ScreenSpaceFlow算法渲染流血表面，可保证实时绘制40000个血液粒子。福州大学的陈国栋等人将形状约束算法引入到血流的实时仿真中，该算法可对血液粘性效果进行模拟，简化了传统方法中的计算过程。南昌大学的黄诗文通过引入空间网格搜索临近点法和高度场法对光滑粒子流体动力学方法进行改进，加快了虚拟手术中血液的模拟速度。山东大学的赖颢升使用了GPU来计算求解Navier-Stokes方程的过程，并利用CUDA的特性使用OpenGL绘制显存中的数据，有效提升了计算速度。燕山大学的刘吉娟在皮肤软组织切割的过程中增加了血液效果，并采用余弦定理和相似三角形法模拟出了血珠的融合过程，增强了虚拟手术切割仿真的逼真度。在上述方法中，研究者们大多采用单一种类的粒子来描述血液的流动与颜色特性，其运动状态与颜色较为单一，而真实的血液构成较为复杂，其流动特性会随着成分的不同而不同，而其颜色也与成分有关，而目前的单一种类的粒子对其可变特性的描述有限，血液仿真的效果也受到限制，因此需要研究一种能够适应变化的血液仿真方法来提高流血效果的真实性与可靠性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于SPH的混合粒子血液模型的流血仿真方法，提高流血效果的真实性与可靠性。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于SPH的混合粒子血液模型的流血仿真方法，主要包括以下步骤：在虚拟手术仿真系统中，软组织出现出血点：步骤1，生成血液粒子，血液粒子被分为两种，血浆粒子以及红细胞粒子；步骤2，初始化粒子的可变初速度以及加速度；步骤3，计算混合粒子的支持域；步骤4，计算混合粒子间的压力；步骤5，计算混合粒子间的粘滞力；步骤6，计算血液粒子的位移，速度；步骤7，利用一种适应该模型的混合颜色渲染算法进行渲染，所述混合颜色渲染算法包括粒子获取、深度数据获取、平滑算法与光照处理。进一步的，所述步骤1在生成血液时需要还原两种粒子的生成比例，血液中粒子生成比例由下式确定Particle_Type＝rand()÷dounel(RAND_MAX)rand()为随机数，doubel(RAND_MAX)表示随机数取值范围内最大值，Particle_Type表示的是粒子类型判断的参数，该本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于SPH的混合粒子血液模型的流血仿真方法，其特征在于：主要包括以下步骤：在虚拟手术仿真系统中，软组织出现出血点：/n步骤1，生成血液粒子，血液粒子被分为两种，血浆粒子以及红细胞粒子；/n步骤2，初始化粒子的可变初速度以及加速度；/n步骤3，计算混合粒子的支持域；/n步骤4，计算混合粒子间的压力；/n步骤5，计算混合粒子间的粘滞力；/n步骤6，计算血液粒子的位移，速度；/n步骤7，利用一种适应该模型的混合颜色渲染算法进行渲染，所述混合颜色渲染算法包括粒子获取、深度数据获取、平滑算法与光照处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于SPH的混合粒子血液模型的流血仿真方法，其特征在于：主要包括以下步骤：在虚拟手术仿真系统中，软组织出现出血点：
步骤1，生成血液粒子，血液粒子被分为两种，血浆粒子以及红细胞粒子；
步骤2，初始化粒子的可变初速度以及加速度；
步骤3，计算混合粒子的支持域；
步骤4，计算混合粒子间的压力；
步骤5，计算混合粒子间的粘滞力；
步骤6，计算血液粒子的位移，速度；
步骤7，利用一种适应该模型的混合颜色渲染算法进行渲染，所述混合颜色渲染算法包括粒子获取、深度数据获取、平滑算法与光照处理。


2.根据权利要求1所述的一种基于SPH的混合粒子血液模型的流血仿真方法，其特征在于：所述步骤1在生成血液时需要还原两种粒子的生成比例，血液中粒子生成比例由下式确定
Particle_Type＝rand()÷doubel(RAND_MAX)
rand()为随机数，doubel(RAND_MAX)表示随机数取值范围内最大值，Particle_Type表示的是粒子类型判断的参数，该参数的值域为[a，b]，当Particl_Type＜c则生成红细胞粒子，当Particl_Type≥c则生成血浆粒子。


3.根据权利要求2所述的一种基于SPH的混合粒子血液模型的流血仿真方法，其特征在于：所述步骤2中具体速度算式如下：
Particle_Speed[i]＝vec_init+rand()÷doubel(RAND_MAX)×vec_num
式中，Particle_Speed[i]表示粒子速度，i表示粒子初始的坐标，取值有三种，分别对应三维空间的x，y，z方向的坐标，vecinit表示粒子速度的初始量，vecnum表示为速度变化范围的参考量，rand()÷doubel(RAND_MAX)表示取值于(a，b)的随机数；
粒子的初始加速度算式如下：
ParticleAcc[i]＝acc_force[i]+other_acc
其中，ParticleAcc[i]表示粒子的加速度，acc_force[i]表示粒子相互作用力对该离子加速度的影响，other_acc表示其他作用力产生的影响。


4.根据权利要求3所述的一种基于SPH的混合粒子血液模型的流血仿真方法，其特征在于：所述步骤3中支持域受光滑长度影响，利用光滑长度处理不同粒子间的作用力，根据万有引力定律：



式中，G为引力常量，mi与mj为俩质点i和j的质量，r为质点间的距离，而不同粒子间作用力与相同粒子间的作用力比值为质量的比值：



Fij为不同种类粒子间的相互作用力，Fii表示相同种类粒子间的相互作用力，将比值简化为：



hij为不同粒子间的光滑长度，hii为相同粒子间的光滑长度，设r1与r2分别为不同支持域的半径，存在r1＝κh1与r2＝κh2，κ为比例因子。


5.根据权利要求4所述的一种基于SPH的混合粒子血液模型的流血仿真方法，其特征在于：所述步骤4具体包括：
每个粒子受到的压力分别计算：



其中，表示粒子i所受的总压力，表示该粒子所受到的支持域内所有同种类粒子的压力，表示受到的不同种类粒子的压力，具体算式如下：



n为支持域中同种粒子的数量，hp为该种类粒子的光滑长度，为光滑核函数；



l为支持域中不同种粒子的数量，hc为不同种类粒子的光滑长度；
光滑核函数：



其拉普拉斯算子为：



粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春泉，彭佳琦，龙毅，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西;36