專(zhuān)利名稱(chēng)：：虛擬手術(shù)系統(tǒng)中形變物體的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及的是一種圖形處理
技術(shù)領(lǐng)域：
的實(shí)時(shí)模擬物體形變系統(tǒng)，特別是一種虛擬手術(shù)系統(tǒng)中形變物體的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)。技術(shù)背景隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，高科技醫(yī)療設(shè)備的不斷涌現(xiàn)為醫(yī)療的現(xiàn)代化提供了越來(lái)越多的幫助。虛擬手術(shù)平臺(tái)的建立在醫(yī)生的培訓(xùn)、手術(shù)導(dǎo)航等方面起到重要作用。在虛擬手術(shù)訓(xùn)練中，醫(yī)生需要通過(guò)控制虛擬環(huán)境中的手術(shù)器械來(lái)對(duì)虛擬的人體器官、血管、軟組織等進(jìn)行操作。在這種交互過(guò)程中，模擬虛擬器官、組織在手術(shù)器械操作下的形變情況是虛擬手術(shù)系統(tǒng)中重要的一部分。一個(gè)精確，實(shí)時(shí)的模擬軟組織器官形變系統(tǒng)能夠很大程度上提升手術(shù)系統(tǒng)的真實(shí)性和實(shí)用性。盡管對(duì)軟組織形變模擬的研究在虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域有著很長(zhǎng)的歷史，這些研究成果在虛擬手術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用并不廣泛。這其中的主要原因是創(chuàng)建一個(gè)形變模擬系統(tǒng)框架需要同時(shí)具有處理形變精確性模塊和處理形變實(shí)時(shí)性模塊。一方面，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練不同于其他諸如視頻游戲之類(lèi)的人機(jī)交互應(yīng)用，訓(xùn)練者是以掌握一種真實(shí)的操作技術(shù)為目的的，因此他們需要訓(xùn)練系統(tǒng)能夠提供和真實(shí)手術(shù)中非常類(lèi)似甚至完全一樣的反饋信息，這其中包括視覺(jué)信息(軟組織的移動(dòng)和變形)和觸覺(jué)信息(通過(guò)器械感受到的反饋力)。形變模擬系統(tǒng)大多數(shù)只具有其中之一的模塊，因此很難完整的模擬手術(shù)中的器官形變。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，DougJames等在《Co邁puterGraphicsProceedings》(計(jì)算機(jī)圖形學(xué)學(xué)報(bào))，AnnualConferenceSeries,ACMSIGGRAPH99(ACMSIGGRAPH99年度會(huì)議系列)的65—72頁(yè)上發(fā)表的"Artdefo，accuraterealtimedeformableobjects"(Artdefo，精確實(shí)時(shí)的形變物體)中提出了一個(gè)基于邊界元法的形變物體實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)Artdefo。該系統(tǒng)從邊界元計(jì)算的角度對(duì)物體形變進(jìn)行處理，有效的解決了模擬精確性的問(wèn)題。但是，在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能方面該模擬系統(tǒng)還存在著計(jì)算效率低，系統(tǒng)交互性不夠的不足。綜上所述，設(shè)計(jì)一個(gè)同時(shí)兼顧精確性和實(shí)時(shí)性的形變模擬系統(tǒng)，對(duì)虛擬手術(shù)中的器官形變模擬至關(guān)重要。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種虛擬手術(shù)系統(tǒng)中形變物體的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)，使其能夠在實(shí)時(shí)的條件下精確模擬出軟組織器官的受力情況和形變情況。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括邊界元模塊、形狀匹配模塊、有限狀態(tài)機(jī)，其中邊界元模塊和形狀匹配模塊共同模擬軟組織物體的形變，有限狀態(tài)機(jī)分析物體的受力狀態(tài)并且切換形變的計(jì)算模式，其中所述邊界元模塊首先為形變物體建立物理模型，劃分物體表面網(wǎng)格單元，對(duì)邊界積分方程進(jìn)行離散化并求解出每個(gè)網(wǎng)格單元的形變向量；邊界元模塊是形變模擬系統(tǒng)中負(fù)責(zé)系統(tǒng)精確性的模塊，它由有限狀態(tài)機(jī)在需要精確形變模擬的情況下進(jìn)行調(diào)用，并接受形變物體的當(dāng)前的空間信息作為輸入信息，通過(guò)模塊中的偏微分方程處理和形變向量計(jì)算，對(duì)形變物體進(jìn)行精確模擬。所述形狀匹配模塊根據(jù)劃分好的網(wǎng)格單元，對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格單元的形變位置和初始位置建立一一映射關(guān)系，根據(jù)網(wǎng)格單元的位置和物體材料屬性建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算物體的形變回復(fù)形狀；形狀匹配處理模塊是形變模擬系統(tǒng)中負(fù)責(zé)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的模塊，它由系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)在不需要精確形變模擬的情況下進(jìn)行調(diào)用，并接受形變物體的當(dāng)前位置狀態(tài)作為輸入信息，通過(guò)模塊中的點(diǎn)集映射和運(yùn)動(dòng)模擬處理，對(duì)形變物體進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。所述有限狀態(tài)機(jī)在軟組織物體形變過(guò)程中，對(duì)物體的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，并通過(guò)基本狀態(tài)之間的切換來(lái)控制當(dāng)前使用的邊界元模塊和形狀匹配模塊。有限狀態(tài)機(jī)通過(guò)調(diào)用邊界元模塊，把系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)輸入該模塊中進(jìn)行形變的精確計(jì)算。在系統(tǒng)資源不足或者需要交互性很高的情況下，狀態(tài)機(jī)切換到形狀匹配模塊，以該模塊的對(duì)內(nèi)存和CPU的低消耗來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。所述的有限狀態(tài)機(jī)控制系統(tǒng)模塊之間的通信和協(xié)作。該狀態(tài)機(jī)把一個(gè)軟組織物體的受力形變過(guò)程劃分為三個(gè)基本狀態(tài)平衡狀態(tài)、形變狀態(tài)和回復(fù)狀態(tài)。在平衡狀態(tài)中，軟組織物體的形狀處于受力穩(wěn)定的狀態(tài)，形狀不發(fā)生改變。在形變狀態(tài)中，作用在物體表面某邊界單元的外力被檢測(cè)到，并根據(jù)高斯分布函數(shù)分布在表由外部輸入指定的局部范圍的單元內(nèi)。有限狀態(tài)機(jī)此時(shí)調(diào)用邊界元模塊開(kāi)始計(jì)算物體的表面形變和受力大小。在回復(fù)狀態(tài)中，物體不再受外力作用，但物體的表面形狀不處于平衡狀態(tài)，形變物體在內(nèi)力的作用下回復(fù)成平衡狀態(tài)的形狀。有限狀態(tài)機(jī)通過(guò)分析形變物體表面單元的受力情況，在三個(gè)基本狀態(tài)之間切換，并調(diào)用該狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的邊界元模塊和形狀匹配模塊計(jì)算表面形變。所述有限狀態(tài)機(jī)在檢測(cè)到一個(gè)新外力加載在物體表面時(shí)把當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)到形變狀態(tài)，并調(diào)用邊界元模塊精確計(jì)算形變和反饋力。在外力從物體表面移除時(shí)，有限狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)到回復(fù)狀態(tài)，并調(diào)用形狀匹配模塊計(jì)算形變的恢復(fù)過(guò)程。當(dāng)形變物體回到平衡位置時(shí)，有限狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)到平衡狀態(tài)，此時(shí)不調(diào)用計(jì)算模塊，釋放之前計(jì)算所用的內(nèi)存資源。所述邊界元模塊和形狀匹配模塊的系統(tǒng)復(fù)雜度不同，在系統(tǒng)上層調(diào)度過(guò)程中所分配的時(shí)間也不同。邊界元模塊是建立在實(shí)時(shí)求解偏微分方程基礎(chǔ)上的計(jì)算模塊，模擬形變的準(zhǔn)確度高，反饋力分析精確，所耗費(fèi)的系統(tǒng)CPU資源和內(nèi)存資源都很高。形狀匹配模塊是一個(gè)建立在動(dòng)力學(xué)彈簧基礎(chǔ)上的處理模塊，可以快速匹配物體的形變形狀和平衡形狀，模擬形變中的形狀恢復(fù)過(guò)程，系統(tǒng)處理速度很快，不需要使用額外的內(nèi)存空間。所述的邊界元模塊首先為形變物體建立物理模型。物體形變的數(shù)學(xué)模型是基于彈性力學(xué)中線彈性物體的納維方程來(lái)描述了物體的形變位移和所受外力之間的關(guān)系。對(duì)作用在物體整個(gè)體區(qū)域內(nèi)的納維方程，把Navier方程進(jìn)行邊界化，從而把彈性物體整個(gè)體空間的三維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為局限于物體表面的二維問(wèn)題。所述的邊界元模塊在為形變物體建立物理模型之后，接收從系統(tǒng)外部讀取的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)模型文件，把物體的表面劃分為一系列互不重疊的三角片。這種表面劃分方式和虛擬手術(shù)所需要用的圖形渲染接口諸如VTK，OpenGL或者DirectX的模型劃分方式是一致的，這樣也避免了額外的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)。在劃分了物體表面網(wǎng)格之后，就把一個(gè)連續(xù)的物體表面劃分為了一系列個(gè)離散的邊界單元。然后對(duì)其中的每一個(gè)單元應(yīng)用上面提到的邊界積分方程，根據(jù)不同的邊界條件，把邊界單元的位移或受力作為未知量，從而建立起了一個(gè)可由計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解的線性方程組。所述邊界元模塊使用形變基向量的方法來(lái)提高系統(tǒng)處理方程組的速度。形變基向量方法的關(guān)鍵點(diǎn)是在實(shí)時(shí)計(jì)算之前對(duì)系數(shù)矩陣進(jìn)行預(yù)計(jì)算，從而把計(jì)算復(fù)雜性很高的解線性方程組操作轉(zhuǎn)化為矩陣向量的乘法操作.在刷新形變向量基的時(shí)候，只需把矩陣向量中的非零元素或值發(fā)生變化的元素提取出來(lái)進(jìn)行矩陣向量乘法操作，在維數(shù)很大的情況下可以大大的提高計(jì)算效率。在求得了形變基向量之后，根據(jù)形變物體的線性特點(diǎn)，對(duì)這些向量進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性縮放操作，就可以快速求得不同外力作用于物體同一位置的情況下物體不同的形變情況。所述形狀匹配模塊，當(dāng)外力從軟組織物體上移除時(shí)，軟組織需要回復(fù)到從前的形狀，形狀匹配模塊對(duì)這一過(guò)程的模擬使用了無(wú)網(wǎng)格形狀匹配技術(shù)。從空間結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，這一技術(shù)不需要對(duì)形變向量通過(guò)方程組的方式求解，也不需要額外知道整個(gè)網(wǎng)格的拓?fù)湫畔?，只需要?duì)每一個(gè)邊界單元建立一個(gè)從當(dāng)前空間位置到初始空間的一一映射。在這一過(guò)程中，把形變物體的表面單元看作是一個(gè)沒(méi)有相互作用的粒子系統(tǒng)。所述形狀匹配模塊，為了模擬回復(fù)狀態(tài)下的物體形變過(guò)程，在對(duì)所有邊界單元做了映射匹配之后，對(duì)每一個(gè)映射建立一個(gè)含阻尼的彈簧系統(tǒng)，每一個(gè)形變后的元素都被映射中的彈簧拉向它的初始位置。因?yàn)樽枘崃Φ拇嬖?，每一個(gè)單元都將最終在空間上匹配到形變物體的初始位置，而回復(fù)過(guò)程的劇烈程度和快慢程度則可以通過(guò)調(diào)節(jié)剛度系數(shù)和阻尼力來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明中，有限狀態(tài)機(jī)被引入了形變模擬系統(tǒng)，和以往單純依賴(lài)邊界元模擬技術(shù)或者表面形狀匹配技術(shù)的模擬系統(tǒng)相比，狀態(tài)機(jī)很好的結(jié)合了兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)(邊界元技術(shù)的精確性和形狀匹配技術(shù)的實(shí)時(shí)性)，通過(guò)不同模塊間的調(diào)度實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和精確性之間的平衡。狀態(tài)機(jī)通過(guò)調(diào)用邊界元模塊，把系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)輸入該模塊中進(jìn)行形變的精確計(jì)算。在系統(tǒng)資源不足或者需要交互性很高的情況下，狀態(tài)機(jī)可以很快切換到形狀匹配模塊，以該模塊的對(duì)內(nèi)存和CPU的低消耗來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。通過(guò)狀態(tài)機(jī)的這種自動(dòng)調(diào)度，系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前的具體環(huán)境在精確和實(shí)時(shí)方面進(jìn)行不同的側(cè)重，該系統(tǒng)應(yīng)用在虛擬手術(shù)中，可以顯著的提高虛擬手術(shù)系統(tǒng)中器官形變的真實(shí)性，同時(shí)提升手術(shù)系統(tǒng)的交互性能。圖l本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，在本發(fā)明的形變模擬系統(tǒng)中，系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)不同的形變處理模塊(邊界元模塊和形狀匹配模塊)和一個(gè)控制模塊間調(diào)度并且管理信息輸入輸出的狀態(tài)機(jī)。所述邊界元模塊建立物體彈性形變偏微分方程，劃分物體表面網(wǎng)格單元，對(duì)邊界積分方程進(jìn)行離散化并求解出每個(gè)網(wǎng)格單元的形變向量；邊界元模塊是形變模擬系統(tǒng)中負(fù)責(zé)系統(tǒng)精確性的模塊，它由有限狀態(tài)機(jī)在需要精確形變模擬的情況下進(jìn)行調(diào)用，并接受形變物體的當(dāng)前的空間信息作為輸入信息，通過(guò)模塊中的偏微分方程處理和形變向量計(jì)算，對(duì)形變物體進(jìn)行精確模擬。所述形狀匹配模塊根據(jù)劃分好的網(wǎng)格單元，對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格單元的形變位置和初始位置建立一一映射關(guān)系，根據(jù)網(wǎng)格單元的位置和物體材料屬性建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算物體的形變回復(fù)形狀；形狀匹配處理模塊是形變模擬系統(tǒng)中負(fù)責(zé)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的模塊，它由系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)在不需要精確形變模擬的情況下進(jìn)行調(diào)用，并接受形變物體的當(dāng)前位置狀態(tài)作為輸入信息，通過(guò)模塊中的點(diǎn)集映射和運(yùn)動(dòng)模擬處理，對(duì)形變物體進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。所述有限狀態(tài)機(jī)在軟組織物體形變過(guò)程中，對(duì)物體的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，并通過(guò)基本狀態(tài)之間的切換來(lái)控制當(dāng)前使用的邊界元模塊和形狀匹配模塊。有限狀態(tài)機(jī)通過(guò)調(diào)用邊界元模塊，把系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)輸入該模塊中進(jìn)行形變的精確計(jì)算。在系統(tǒng)資源不足或者需要交互性很高的情況下，狀態(tài)機(jī)切換到形狀匹配模塊，以該模塊的對(duì)內(nèi)存和CPU的低消耗來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。所述的邊界元模塊，完成以下的處理a)建立物體彈性形變偏微分方程邊界元模塊首先為形變物體建立物理模型。物體形變的數(shù)學(xué)模型是基于彈性力學(xué)中線彈性物體的Navier方程N(yùn)u+b=0其中N是二次偏微分算子，u表示物體區(qū)域內(nèi)點(diǎn)的位移，b表示物體所受的體力(比如重力)。這個(gè)方程描述了物體的形變位移和所受外力之間的關(guān)系。對(duì)作用在物體整個(gè)體區(qū)域內(nèi)的Navier方程，使用偏微分方程求解中常用的Green-Gauss理論和Kelvin基本解把Navier方程進(jìn)行邊界化(見(jiàn)《邊界元理論及應(yīng)用》第二章，北京理工大學(xué)出版社，2002年9月)，從而把彈性物體整個(gè)體空間的三維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為局限于物體表面的二維問(wèn)題。Cik(P')Uk(P')=]V[u〖k(P',Q')—uk(Q>〖k(P',Q')]dr(Q')+j"nU〖k(P',Q)fk(Q)d卿在這里M項(xiàng)和pf項(xiàng)是Navier方程的基本解。b)劃分物體表面網(wǎng)格單元邊界元模塊把物體的表面劃分為一系列互不重疊的三角片。這種表面劃分方式和虛擬手術(shù)所需要用的圖形渲染接口諸如VTK，OpenGL或者DirectX的模型劃分方式是一致的，這樣也避免了額外的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)。在劃分了物體表面網(wǎng)格之后，就把一個(gè)連續(xù)的物體表面劃分為了n個(gè)離散的邊界單元。然后對(duì)其中的每一個(gè)單元應(yīng)用上面提到的邊界積分方程，根據(jù)不同的邊界條件，把邊界單元的位移u(x)或受力p(x)作為未知量，從而建立起了一個(gè)n個(gè)方程，n個(gè)未知數(shù)的線性方程組。HU=GP其中H和G是3nX3n的系數(shù)矩陣，U和P是包含3n個(gè)元素的向量。對(duì)這個(gè)方程組進(jìn)行規(guī)范化的移項(xiàng)處理，把u(x)和p(x)中的未知量移到方程等號(hào)的左邊，已知量移到右邊，同時(shí)系數(shù)矩陣H和G中的相應(yīng)列也需要進(jìn)行交換。得到新的線性方程組AX=C又其中A和C分別是交互后的H和G矩陣，X在交換后包含的是所有的未知量，X包含的是所有的已知量。c)實(shí)時(shí)求解網(wǎng)格單元的形變向量為了能夠?qū)崟r(shí)的求解所有邊界單元在每一個(gè)時(shí)間步內(nèi)的形變向量，在本發(fā)明中我們使用了形變基向量的方法來(lái)提高方程組的求解速度。形變基向量方法的關(guān)鍵點(diǎn)是在實(shí)時(shí)計(jì)算之前對(duì)系數(shù)矩陣進(jìn)行預(yù)計(jì)算，從而把計(jì)算復(fù)雜性很高的解線性方程組操作轉(zhuǎn)化為矩陣向量的乘法操作。預(yù)計(jì)算首先計(jì)算出系數(shù)矩陣A的逆矩陣A-、然后把方程組變換為X=A-^這樣，在刷新形變向量基的時(shí)候，只需把文中的非零元素或值發(fā)生變化的元素提取出來(lái)進(jìn)行矩陣向量乘法操作，在X的維數(shù)很大的情況下可以大大的提高計(jì)算效率。在求得了形變基向量之后，根據(jù)形變物體的線性特點(diǎn)，對(duì)這些向量進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性縮放操作，就可以快速求得不同外力作用于物體同一位置的情況下物體不同的形變情況。2.形狀匹配模塊，做如下處理a)點(diǎn)集的映射當(dāng)外力從軟組織物體上移除時(shí)，軟組織需要回復(fù)到從前的形狀，形狀匹配模塊對(duì)這一過(guò)程的模擬使用了無(wú)網(wǎng)格形狀匹配技術(shù)。從空間結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，這一技術(shù)不需要對(duì)形變向量通過(guò)方程組的方式求解，也不需要額外知道整個(gè)網(wǎng)格的拓?fù)湫畔?，只需要?duì)每一個(gè)邊界單元建立一個(gè)從當(dāng)前空間位置到初始空間的一一映射。在這一過(guò)程中，把形變物體的表面單元看作是一個(gè)沒(méi)有相互作用的粒子系統(tǒng)。b)回復(fù)狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)模擬為了模擬回復(fù)狀態(tài)下的物體形變過(guò)程,在對(duì)所有邊界單元做了映射匹配之后，我們對(duì)每一個(gè)映射建立一個(gè)含阻尼的彈簧系統(tǒng)，每一個(gè)形變后的元素都被映射中的彈簧拉向它的初始位置。彈簧的回復(fù)力可以通過(guò)如下公式計(jì)算得出f=-k[p(x)-p(O)]-fdamp在公式中，p(O)為物體的初始位置，p(x)為物體的當(dāng)前位置，k為所設(shè)彈簧的勁度系數(shù)，fdamp為彈簧的阻尼力。這個(gè)方程描述了物體形變回復(fù)的時(shí)的受力情況。因?yàn)樽枘崃damp的存在，每一個(gè)單元都將最終在空間上匹配到形變物體的初始位置，而回復(fù)過(guò)程的劇烈程度和快慢程度則可以通過(guò)調(diào)節(jié)剛度系數(shù)k和阻尼力fdamp來(lái)實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施例在CPU為PentuimM1.5GHz,內(nèi)存為1.0GB的計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，編程語(yǔ)言為€++，具體參數(shù)情況如表l所示表l實(shí)施例中各種參數(shù)情況模型編號(hào)形狀屬性四面體個(gè)數(shù)頂點(diǎn)數(shù)ATumor960482BKidney258412941、首先從vtk文件中導(dǎo)入模型A、B的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，在虛擬手術(shù)系統(tǒng)的渲染模塊中通過(guò)vtk渲染通道渲染在虛擬場(chǎng)景中。為了模擬模型的形變，為兩個(gè)模型分別建立前文所述的有限狀態(tài)機(jī)，并把狀態(tài)都設(shè)為平衡狀態(tài)。2、分別對(duì)邊界元模塊和形狀匹配模塊進(jìn)行預(yù)計(jì)算處理。在邊界元模塊的預(yù)計(jì)算中，對(duì)每個(gè)物體通過(guò)上文所述的邊界元方法建立物體彈性形變偏微分方程，劃分物體表面網(wǎng)格單元，對(duì)邊界積分方程進(jìn)行離散化并求解出系數(shù)矩陣的逆矩陣。在形狀匹配模塊的預(yù)計(jì)算中，記錄模型所有網(wǎng)格單元的初始位置。3、對(duì)模型的某一個(gè)部分區(qū)域內(nèi)的邊界單元施加外力，計(jì)算狀態(tài)機(jī)改變到形變狀態(tài)，并調(diào)用邊界元計(jì)算模塊。在邊界元計(jì)算模塊中，通過(guò)外力作用的大小和邊界單元的位置確定形變條件向量又，再由邊界元模塊中預(yù)先計(jì)算出的系數(shù)矩陣逆矩陣A-i和條件矩陣C，根據(jù)X=A^C文求得模型每一個(gè)邊界單元的形變及受力向量。并根據(jù)這些形變向量刷新模型顯示在場(chǎng)景中的形狀，根據(jù)受力刷新場(chǎng)景力反饋設(shè)備中的受力。4、當(dāng)外力從模型表面移開(kāi)時(shí)，有限狀態(tài)機(jī)從形變狀態(tài)轉(zhuǎn)換到回復(fù)狀態(tài)，并調(diào)用形狀匹配模塊。在形狀匹配模塊中，根據(jù)預(yù)計(jì)算過(guò)程中記錄的初始位置如上文所述建立網(wǎng)格當(dāng)前位置和初始位置的一一映射。并通過(guò)模塊中的回復(fù)彈簧計(jì)算回復(fù)形變位置。5、當(dāng)物體完全恢復(fù)到初始位置是，有限狀態(tài)機(jī)把模塊切換回平衡狀態(tài)。當(dāng)有新的外力被施加在模型上時(shí)，重新從步驟3開(kāi)始形變的模擬過(guò)程。在該環(huán)境下的精確形變模擬能夠達(dá)到實(shí)時(shí)的效果，與傳統(tǒng)方法相比，性能也有了很大的提高，分別對(duì)應(yīng)于上述情況A和B，具體結(jié)果見(jiàn)表2。表2實(shí)施例結(jié)果及與傳統(tǒng)方法的比較情況<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>權(quán)利要求1、一種虛擬手術(shù)系統(tǒng)中形變物體的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括邊界元模塊、形狀匹配模塊、有限狀態(tài)機(jī)，其中邊界元模塊和形狀匹配模塊共同模擬軟組織物體的形變，有限狀態(tài)機(jī)分析物體的受力狀態(tài)并且切換形變的計(jì)算模式，其中所述邊界元模塊首先為形變物體建立物理模型，劃分物體表面網(wǎng)格單元，對(duì)邊界積分方程進(jìn)行離散化并求解出每個(gè)網(wǎng)格單元的形變向量；邊界元模塊是形變模擬系統(tǒng)中負(fù)責(zé)系統(tǒng)精確性的模塊，它由有限狀態(tài)機(jī)在需要精確形變模擬的情況下進(jìn)行調(diào)用，并接受形變物體的當(dāng)前的空間信息作為輸入信息，通過(guò)模塊中的偏微分方程處理和形變向量計(jì)算，對(duì)形變物體進(jìn)行精確模擬；所述形狀匹配模塊根據(jù)劃分好的網(wǎng)格單元，對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格單元的形變位置和初始位置建立一一映射關(guān)系，根據(jù)網(wǎng)格單元的位置和物體材料屬性建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算物體的形變回復(fù)形狀；形狀匹配處理模塊是形變模擬系統(tǒng)中負(fù)責(zé)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的模塊，它由系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)在不需要精確形變模擬的情況下進(jìn)行調(diào)用，并接受形變物體的當(dāng)前位置狀態(tài)作為輸入信息，通過(guò)模塊中的點(diǎn)集映射和運(yùn)動(dòng)模擬處理，對(duì)形變物體進(jìn)行實(shí)時(shí)處理；所述有限狀態(tài)機(jī)在軟組織物體形變過(guò)程中，對(duì)物體的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，并通過(guò)基本狀態(tài)之間的切換來(lái)控制當(dāng)前使用的邊界元模塊和形狀匹配模塊，有限狀態(tài)機(jī)通過(guò)調(diào)用邊界元模塊，把系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)輸入該模塊中進(jìn)行形變的精確計(jì)算，在系統(tǒng)資源不足或者需要交互性很高的情況下，有限狀態(tài)機(jī)切換到形狀匹配模塊，以該模塊的對(duì)內(nèi)存和CPU的低消耗來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬手術(shù)系統(tǒng)中形變物體的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)，其特征是，所述的有限狀態(tài)機(jī)控制系統(tǒng)模塊之間的通信和協(xié)作，該狀態(tài)機(jī)把一個(gè)軟組織物體的受力形變過(guò)程劃分為三個(gè)基本狀態(tài)平衡狀態(tài)、形變狀態(tài)和回復(fù)狀態(tài)，在平衡狀態(tài)中，軟組織物體的形狀處于受力穩(wěn)定的狀態(tài)，形狀不發(fā)生改變；在形變狀態(tài)中，作用在物體表面某邊界單元的外力被檢測(cè)到，并根據(jù)高斯分布函數(shù)分布在表由外部輸入指定的局部范圍的單元內(nèi)，有限狀態(tài)機(jī)此時(shí)調(diào)用邊界元模塊開(kāi)始計(jì)算物體的表面形變和受力大??；在回復(fù)狀態(tài)中，物體不再受外力作用，但物體的表面形狀不處于平衡狀態(tài)，形變物體在內(nèi)力的作用下回復(fù)成平衡狀態(tài)的形狀，有限狀態(tài)機(jī)通過(guò)分析形變物體表面單元的受力情況，在三個(gè)基本狀態(tài)之間切換，并調(diào)用該狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的邊界元模塊和形狀匹配模塊計(jì)算表面形變。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的虛擬手術(shù)系統(tǒng)中形變物體的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)，其特征是，所述有限狀態(tài)機(jī)在檢測(cè)到一個(gè)新外力加載在物體表面時(shí)把當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)到形變狀態(tài)，并調(diào)用邊界元模塊精確計(jì)算形變和反饋力，在外力從物體表面移除時(shí)，有限狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)到回復(fù)狀態(tài)，并調(diào)用形狀匹配模塊計(jì)算形變的恢復(fù)過(guò)程，當(dāng)形變物體回到平衡位置時(shí)，有限狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)到平衡狀態(tài)，此時(shí)不調(diào)用計(jì)算模塊，釋放之前計(jì)算所用的內(nèi)存資源。4、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的虛擬手術(shù)系統(tǒng)中形變物體的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)，其特征是，所述的邊界元模塊首先為形變物體建立物理模型，物體形變的數(shù)學(xué)模型是基于彈性力學(xué)中線彈性物體的納維方程來(lái)描述了物體的形變位移和所受外力之間的關(guān)系，對(duì)作用在物體整個(gè)體區(qū)域內(nèi)的納維方程，把Navier方程進(jìn)行邊界化，從而把彈性物體整個(gè)體空間的三維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為局限于物體表面的二維問(wèn)題。5、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的虛擬手術(shù)系統(tǒng)中形變物體的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)，其特征是，所述的邊界元模塊在建立物體彈性形變偏微分方程后，接收從系統(tǒng)外部讀取的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)模型文件，把物體的表面劃分為一系列互不重疊的三角片，這種表面劃分方式和虛擬手術(shù)所需要用的圖形渲染接口或者DirectX的模型劃分方式是一致的，避免了額外的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)，在劃分了物體表面網(wǎng)格之后，就把一個(gè)連續(xù)的物體表面劃分為了一系列個(gè)離散的邊界單元，然后對(duì)其中的每一個(gè)單元應(yīng)用上面提到的邊界積分方程，根據(jù)邊界條件把邊界單元的位移或受力作為未知量，從而建立起了一個(gè)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解的線性方程組。6、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的虛擬手術(shù)系統(tǒng)中形變物體的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)，其特征是，所述的邊界元模塊使用形變基向量的方法來(lái)提高系統(tǒng)處理方程組的速度，在實(shí)時(shí)計(jì)算之前對(duì)系數(shù)矩陣進(jìn)行預(yù)計(jì)算，從而把解線性方程組操作轉(zhuǎn)化為矩陣向量的乘法操作，在刷新形變向量基的時(shí)候，把矩陣向量中的非零元素或值發(fā)生變化的元素提取出來(lái)進(jìn)行矩陣向量乘法操作，在求得了形變基向量之后，根據(jù)形變物體的線性特點(diǎn)，對(duì)這些向量進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性縮放操作，就得到不同外力作用于物體同一位置的情況下物體不同的形變情況。7、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的虛擬手術(shù)系統(tǒng)中形變物體的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)，其特征是，所述形狀匹配模塊，當(dāng)外力從軟組織物體上移除時(shí)，軟組織需要回復(fù)到從前的形狀，形狀匹配模塊對(duì)這一過(guò)程的模擬使用了無(wú)網(wǎng)格形狀匹配技術(shù)，即對(duì)每一個(gè)邊界單元建立一個(gè)從當(dāng)前空間位置到初始空間的一一映射。8、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的虛擬手術(shù)系統(tǒng)中形變物體的實(shí)時(shí)模擬系統(tǒng)，其特征是，所述形狀匹配模塊，在對(duì)所有邊界單元做了映射匹配之后，對(duì)每一個(gè)映射建立一個(gè)含阻尼的彈簧系統(tǒng)，每一個(gè)形變后的元素都被映射中的彈簧拉向它的初始位置，因?yàn)樽枘崃Φ拇嬖?，每一個(gè)單元都將最終在空間上匹配到形變物體的初始位置，而回復(fù)過(guò)程的劇烈程度和快慢程度則通過(guò)調(diào)節(jié)剛度系數(shù)和阻尼力來(lái)實(shí)現(xiàn)。全文摘要一個(gè)虛擬手術(shù)系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)模擬軟組織物體形變系統(tǒng)，屬于圖形處理
技術(shù)領(lǐng)域：
。本發(fā)明中邊界元模塊首先為形變物體建立物理模型，劃分物體表面網(wǎng)格單元，對(duì)邊界積分方程進(jìn)行離散化并求解出每個(gè)網(wǎng)格單元的形變向量。形狀匹配模塊根據(jù)劃分好的網(wǎng)格單元，對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格單元的形變位置和初始位置建立一一映射關(guān)系，根據(jù)網(wǎng)格單元的位置和物體材料屬性建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，計(jì)算物體的形變回復(fù)形狀。有限狀態(tài)機(jī)在軟組織物體形變過(guò)程中，對(duì)物體的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，并通過(guò)基本狀態(tài)之間的切換來(lái)控制當(dāng)前使用的形變運(yùn)算模塊。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在交互式系統(tǒng)中實(shí)時(shí)并且精確對(duì)軟組織形變進(jìn)行模擬，特別是虛擬手術(shù)系統(tǒng)中手術(shù)器械與軟組織交互變得更精確，更快速。文檔編號(hào)G06T17/00GK101295409SQ20081003855公開(kāi)日2008年10月29日申請(qǐng)日期2008年6月5日優(yōu)先權(quán)日2008年6月5日發(fā)明者張靜思,博朱,顧力栩申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)