專利名稱：：虛擬手術系統(tǒng)中形變物體的實時模擬系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及的是一種圖形處理
技術領域：
的實時模擬物體形變系統(tǒng)，特別是一種虛擬手術系統(tǒng)中形變物體的實時模擬系統(tǒng)。技術背景隨著科學技術的高速發(fā)展，高科技醫(yī)療設備的不斷涌現(xiàn)為醫(yī)療的現(xiàn)代化提供了越來越多的幫助。虛擬手術平臺的建立在醫(yī)生的培訓、手術導航等方面起到重要作用。在虛擬手術訓練中，醫(yī)生需要通過控制虛擬環(huán)境中的手術器械來對虛擬的人體器官、血管、軟組織等進行操作。在這種交互過程中，模擬虛擬器官、組織在手術器械操作下的形變情況是虛擬手術系統(tǒng)中重要的一部分。一個精確，實時的模擬軟組織器官形變系統(tǒng)能夠很大程度上提升手術系統(tǒng)的真實性和實用性。盡管對軟組織形變模擬的研究在虛擬現(xiàn)實和計算機圖形學領域有著很長的歷史，這些研究成果在虛擬手術領域的應用并不廣泛。這其中的主要原因是創(chuàng)建一個形變模擬系統(tǒng)框架需要同時具有處理形變精確性模塊和處理形變實時性模塊。一方面，在計算機上進行手術訓練不同于其他諸如視頻游戲之類的人機交互應用，訓練者是以掌握一種真實的操作技術為目的的，因此他們需要訓練系統(tǒng)能夠提供和真實手術中非常類似甚至完全一樣的反饋信息，這其中包括視覺信息(軟組織的移動和變形)和觸覺信息(通過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中的器官形變。經過對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，DougJames等在《Co邁puterGraphicsProceedings》(計算機圖形學學報)，AnnualConferenceSeries,ACMSIGGRAPH99(ACMSIGGRAPH99年度會議系列)的65—72頁上發(fā)表的"Artdefo，accuraterealtimedeformableobjects"(Artdefo，精確實時的形變物體)中提出了一個基于邊界元法的形變物體實時模擬系統(tǒng)Artdefo。該系統(tǒng)從邊界元計算的角度對物體形變進行處理，有效的解決了模擬精確性的問題。但是，在系統(tǒng)的實時性能方面該模擬系統(tǒng)還存在著計算效率低，系統(tǒng)交互性不夠的不足。綜上所述，設計一個同時兼顧精確性和實時性的形變模擬系統(tǒng)，對虛擬手術中的器官形變模擬至關重要。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種虛擬手術系統(tǒng)中形變物體的實時模擬系統(tǒng)，使其能夠在實時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)明是通過以下技術方案實現(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，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)機分析物體的受力狀態(tài)并且切換形變的計算模式，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，對邊界積分方程進行離散化并求解出每個網(wǎng)格單元的形變向量；邊界元模塊是形變模擬系統(tǒng)中負責系統(tǒng)精確性的模塊，它由有限狀態(tài)機在需要精確形變模擬的情況下進行調用，并接受形變物體的當前的空間信息作為輸入信息，通過模塊中的偏微分方程處理和形變向量計算，對形變物體進行精確模擬。所述形狀匹配模塊根據(jù)劃分好的網(wǎng)格單元，對每一個網(wǎng)格單元的形變位置和初始位置建立一一映射關系，根據(jù)網(wǎng)格單元的位置和物體材料屬性建立運動學方程，計算物體的形變回復形狀；形狀匹配處理模塊是形變模擬系統(tǒng)中負責系統(tǒng)實時性的模塊，它由系統(tǒng)狀態(tài)機在不需要精確形變模擬的情況下進行調用，并接受形變物體的當前位置狀態(tài)作為輸入信息，通過模塊中的點集映射和運動模擬處理，對形變物體進行實時處理。所述有限狀態(tài)機在軟組織物體形變過程中，對物體的受力狀態(tài)進行分析，并通過基本狀態(tài)之間的切換來控制當前使用的邊界元模塊和形狀匹配模塊。有限狀態(tài)機通過調用邊界元模塊，把系統(tǒng)的當前狀態(tài)輸入該模塊中進行形變的精確計算。在系統(tǒng)資源不足或者需要交互性很高的情況下，狀態(tài)機切換到形狀匹配模塊，以該模塊的對內存和CPU的低消耗來實現(xiàn)實時性的特點。所述的有限狀態(tài)機控制系統(tǒng)模塊之間的通信和協(xié)作。該狀態(tài)機把一個軟組織物體的受力形變過程劃分為三個基本狀態(tài)平衡狀態(tài)、形變狀態(tài)和回復狀態(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。有限狀態(tài)機此時調用邊界元模塊開始計算物體的表面形變和受力大小。在回復狀態(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)，形變物體在內力的作用下回復成平衡狀態(tài)的形狀。有限狀態(tài)機通過分析形變物體表面單元的受力情況，在三個基本狀態(tài)之間切換，并調用該狀態(tài)所對應的邊界元模塊和形狀匹配模塊計算表面形變。所述有限狀態(tài)機在檢測到一個新外力加載在物體表面時把當前狀態(tài)轉到形變狀態(tài)，并調用邊界元模塊精確計算形變和反饋力。在外力從物體表面移除時，有限狀態(tài)機的當前狀態(tài)轉到回復狀態(tài)，并調用形狀匹配模塊計算形變的恢復過程。當形變物體回到平衡位置時，有限狀態(tài)機的當前狀態(tài)轉到平衡狀態(tài)，此時不調用計算模塊，釋放之前計算所用的內存資源。所述邊界元模塊和形狀匹配模塊的系統(tǒng)復雜度不同，在系統(tǒng)上層調度過程中所分配的時間也不同。邊界元模塊是建立在實時求解偏微分方程基礎上的計算模塊，模擬形變的準確度高，反饋力分析精確，所耗費的系統(tǒng)CPU資源和內存資源都很高。形狀匹配模塊是一個建立在動力學彈簧基礎上的處理模塊，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過程，系統(tǒng)處理速度很快，不需要使用額外的內存空間。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)學模型是基于彈性力學中線彈性物體的納維方程來描述了物體的形變位移和所受外力之間的關系。對作用在物體整個體區(qū)域內的納維方程，把Navier方程進行邊界化，從而把彈性物體整個體空間的三維問題轉化為局限于物體表面的二維問題。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)結構和存儲開銷。在劃分了物體表面網(wǎng)格之后，就把一個連續(xù)的物體表面劃分為了一系列個離散的邊界單元。然后對其中的每一個單元應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，從而建立起了一個可由計算機進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提高系統(tǒng)處理方程組的速度。形變基向量方法的關鍵點是在實時計算之前對系數(shù)矩陣進行預計算，從而把計算復雜性很高的解線性方程組操作轉化為矩陣向量的乘法操作.在刷新形變向量基的時候，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進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，對這些向量進行簡單的線性縮放操作，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，當外力從軟組織物體上移除時，軟組織需要回復到從前的形狀，形狀匹配模塊對這一過程的模擬使用了無網(wǎng)格形狀匹配技術。從空間結構來說，這一技術不需要對形變向量通過方程組的方式求解，也不需要額外知道整個網(wǎng)格的拓撲信息，只需要對每一個邊界單元建立一個從當前空間位置到初始空間的一一映射。在這一過程中，把形變物體的表面單元看作是一個沒有相互作用的粒子系統(tǒng)。所述形狀匹配模塊，為了模擬回復狀態(tài)下的物體形變過程，在對所有邊界單元做了映射匹配之后，對每一個映射建立一個含阻尼的彈簧系統(tǒng)，每一個形變后的元素都被映射中的彈簧拉向它的初始位置。因為阻尼力的存在，每一個單元都將最終在空間上匹配到形變物體的初始位置，而回復過程的劇烈程度和快慢程度則可以通過調節(jié)剛度系數(shù)和阻尼力來實現(xiàn)。在本發(fā)明中，有限狀態(tài)機被引入了形變模擬系統(tǒng)，和以往單純依賴邊界元模擬技術或者表面形狀匹配技術的模擬系統(tǒng)相比，狀態(tài)機很好的結合了兩種技術的優(yōu)點(邊界元技術的精確性和形狀匹配技術的實時性)，通過不同模塊間的調度實現(xiàn)了系統(tǒng)實時性和精確性之間的平衡。狀態(tài)機通過調用邊界元模塊，把系統(tǒng)的當前狀態(tài)輸入該模塊中進行形變的精確計算。在系統(tǒng)資源不足或者需要交互性很高的情況下，狀態(tài)機可以很快切換到形狀匹配模塊，以該模塊的對內存和CPU的低消耗來實現(xiàn)實時性的特點。通過狀態(tài)機的這種自動調度，系統(tǒng)可以根據(jù)當前的具體環(huán)境在精確和實時方面進行不同的側重，該系統(tǒng)應用在虛擬手術中，可以顯著的提高虛擬手術系統(tǒng)中器官形變的真實性，同時提升手術系統(tǒng)的交互性能。圖l本發(fā)明系統(tǒng)結構框圖。具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，在本發(fā)明的形變模擬系統(tǒng)中，系統(tǒng)的基本結構包括兩個不同的形變處理模塊(邊界元模塊和形狀匹配模塊)和一個控制模塊間調度并且管理信息輸入輸出的狀態(tài)機。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，對邊界積分方程進行離散化并求解出每個網(wǎng)格單元的形變向量；邊界元模塊是形變模擬系統(tǒng)中負責系統(tǒng)精確性的模塊，它由有限狀態(tài)機在需要精確形變模擬的情況下進行調用，并接受形變物體的當前的空間信息作為輸入信息，通過模塊中的偏微分方程處理和形變向量計算，對形變物體進行精確模擬。所述形狀匹配模塊根據(jù)劃分好的網(wǎng)格單元，對每一個網(wǎng)格單元的形變位置和初始位置建立一一映射關系，根據(jù)網(wǎng)格單元的位置和物體材料屬性建立運動學方程，計算物體的形變回復形狀；形狀匹配處理模塊是形變模擬系統(tǒng)中負責系統(tǒng)實時性的模塊，它由系統(tǒng)狀態(tài)機在不需要精確形變模擬的情況下進行調用，并接受形變物體的當前位置狀態(tài)作為輸入信息，通過模塊中的點集映射和運動模擬處理，對形變物體進行實時處理。所述有限狀態(tài)機在軟組織物體形變過程中，對物體的受力狀態(tài)進行分析，并通過基本狀態(tài)之間的切換來控制當前使用的邊界元模塊和形狀匹配模塊。有限狀態(tài)機通過調用邊界元模塊，把系統(tǒng)的當前狀態(tài)輸入該模塊中進行形變的精確計算。在系統(tǒng)資源不足或者需要交互性很高的情況下，狀態(tài)機切換到形狀匹配模塊，以該模塊的對內存和CPU的低消耗來實現(xiàn)實時性的特點。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)學模型是基于彈性力學中線彈性物體的Navier方程Nu+b=0其中N是二次偏微分算子，u表示物體區(qū)域內點的位移，b表示物體所受的體力(比如重力)。這個方程描述了物體的形變位移和所受外力之間的關系。對作用在物體整個體區(qū)域內的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方程進行邊界化(見《邊界元理論及應用》第二章，北京理工大學出版社，2002年9月)，從而把彈性物體整個體空間的三維問題轉化為局限于物體表面的二維問題。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項和pf項是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)結構和存儲開銷。在劃分了物體表面網(wǎng)格之后，就把一個連續(xù)的物體表面劃分為了n個離散的邊界單元。然后對其中的每一個單元應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n個方程，n個未知數(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個元素的向量。對這個方程組進行規(guī)范化的移項處理，把u(x)和p(x)中的未知量移到方程等號的左邊，已知量移到右邊，同時系數(shù)矩陣H和G中的相應列也需要進行交換。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)實時求解網(wǎng)格單元的形變向量為了能夠實時的求解所有邊界單元在每一個時間步內的形變向量，在本發(fā)明中我們使用了形變基向量的方法來提高方程組的求解速度。形變基向量方法的關鍵點是在實時計算之前對系數(shù)矩陣進行預計算，從而把計算復雜性很高的解線性方程組操作轉化為矩陣向量的乘法操作。預計算首先計算出系數(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進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，對這些向量進行簡單的線性縮放操作，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)點集的映射當外力從軟組織物體上移除時，軟組織需要回復到從前的形狀，形狀匹配模塊對這一過程的模擬使用了無網(wǎng)格形狀匹配技術。從空間結構來說，這一技術不需要對形變向量通過方程組的方式求解，也不需要額外知道整個網(wǎng)格的拓撲信息，只需要對每一個邊界單元建立一個從當前空間位置到初始空間的一一映射。在這一過程中，把形變物體的表面單元看作是一個沒有相互作用的粒子系統(tǒng)。b)回復狀態(tài)下的運動模擬為了模擬回復狀態(tài)下的物體形變過程,在對所有邊界單元做了映射匹配之后，我們對每一個映射建立一個含阻尼的彈簧系統(tǒng)，每一個形變后的元素都被映射中的彈簧拉向它的初始位置。彈簧的回復力可以通過如下公式計算得出f=-k[p(x)-p(O)]-fdamp在公式中，p(O)為物體的初始位置，p(x)為物體的當前位置，k為所設彈簧的勁度系數(shù)，fdamp為彈簧的阻尼力。這個方程描述了物體形變回復的時的受力情況。因為阻尼力fdamp的存在，每一個單元都將最終在空間上匹配到形變物體的初始位置，而回復過程的劇烈程度和快慢程度則可以通過調節(jié)剛度系數(shù)k和阻尼力fdamp來實現(xiàn)。本實施例在CPU為PentuimM1.5GHz,內存為1.0GB的計算機中實現(xiàn)，編程語言為€++，具體參數(shù)情況如表l所示表l實施例中各種參數(shù)情況模型編號形狀屬性四面體個數(shù)頂點數(shù)ATumor960482BKidney258412941、首先從vtk文件中導入模型A、B的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，在虛擬手術系統(tǒng)的渲染模塊中通過vtk渲染通道渲染在虛擬場景中。為了模擬模型的形變，為兩個模型分別建立前文所述的有限狀態(tài)機，并把狀態(tài)都設為平衡狀態(tài)。2、分別對邊界元模塊和形狀匹配模塊進行預計算處理。在邊界元模塊的預計算中，對每個物體通過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，對邊界積分方程進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計算中，記錄模型所有網(wǎng)格單元的初始位置。3、對模型的某一個部分區(qū)域內的邊界單元施加外力，計算狀態(tài)機改變到形變狀態(tài)，并調用邊界元計算模塊。在邊界元計算模塊中，通過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先計算出的系數(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景中的形狀，根據(jù)受力刷新場景力反饋設備中的受力。4、當外力從模型表面移開時，有限狀態(tài)機從形變狀態(tài)轉換到回復狀態(tài)，并調用形狀匹配模塊。在形狀匹配模塊中，根據(jù)預計算過程中記錄的初始位置如上文所述建立網(wǎng)格當前位置和初始位置的一一映射。并通過模塊中的回復彈簧計算回復形變位置。5、當物體完全恢復到初始位置是，有限狀態(tài)機把模塊切換回平衡狀態(tài)。當有新的外力被施加在模型上時，重新從步驟3開始形變的模擬過程。在該環(huán)境下的精確形變模擬能夠達到實時的效果，與傳統(tǒng)方法相比，性能也有了很大的提高，分別對應于上述情況A和B，具體結果見表2。表2實施例結果及與傳統(tǒng)方法的比較情況<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>權利要求1、一種虛擬手術系統(tǒng)中形變物體的實時模擬系統(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，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)機分析物體的受力狀態(tài)并且切換形變的計算模式，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，對邊界積分方程進行離散化并求解出每個網(wǎng)格單元的形變向量；邊界元模塊是形變模擬系統(tǒng)中負責系統(tǒng)精確性的模塊，它由有限狀態(tài)機在需要精確形變模擬的情況下進行調用，并接受形變物體的當前的空間信息作為輸入信息，通過模塊中的偏微分方程處理和形變向量計算，對形變物體進行精確模擬；所述形狀匹配模塊根據(jù)劃分好的網(wǎng)格單元，對每一個網(wǎng)格單元的形變位置和初始位置建立一一映射關系，根據(jù)網(wǎng)格單元的位置和物體材料屬性建立運動學方程，計算物體的形變回復形狀；形狀匹配處理模塊是形變模擬系統(tǒng)中負責系統(tǒng)實時性的模塊，它由系統(tǒng)狀態(tài)機在不需要精確形變模擬的情況下進行調用，并接受形變物體的當前位置狀態(tài)作為輸入信息，通過模塊中的點集映射和運動模擬處理，對形變物體進行實時處理；所述有限狀態(tài)機在軟組織物體形變過程中，對物體的受力狀態(tài)進行分析，并通過基本狀態(tài)之間的切換來控制當前使用的邊界元模塊和形狀匹配模塊，有限狀態(tài)機通過調用邊界元模塊，把系統(tǒng)的當前狀態(tài)輸入該模塊中進行形變的精確計算，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)機切換到形狀匹配模塊，以該模塊的對內存和CPU的低消耗來實現(xiàn)實時性的特點。2、根據(jù)權利要求1所述的虛擬手術系統(tǒng)中形變物體的實時模擬系統(tǒng)，其特征是，所述的有限狀態(tài)機控制系統(tǒng)模塊之間的通信和協(xié)作，該狀態(tài)機把一個軟組織物體的受力形變過程劃分為三個基本狀態(tài)平衡狀態(tài)、形變狀態(tài)和回復狀態(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，有限狀態(tài)機此時調用邊界元模塊開始計算物體的表面形變和受力大??；在回復狀態(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)，形變物體在內力的作用下回復成平衡狀態(tài)的形狀，有限狀態(tài)機通過分析形變物體表面單元的受力情況，在三個基本狀態(tài)之間切換，并調用該狀態(tài)所對應的邊界元模塊和形狀匹配模塊計算表面形變。3、根據(jù)權利要求1或2所述的虛擬手術系統(tǒng)中形變物體的實時模擬系統(tǒng)，其特征是，所述有限狀態(tài)機在檢測到一個新外力加載在物體表面時把當前狀態(tài)轉到形變狀態(tài)，并調用邊界元模塊精確計算形變和反饋力，在外力從物體表面移除時，有限狀態(tài)機的當前狀態(tài)轉到回復狀態(tài)，并調用形狀匹配模塊計算形變的恢復過程，當形變物體回到平衡位置時，有限狀態(tài)機的當前狀態(tài)轉到平衡狀態(tài)，此時不調用計算模塊，釋放之前計算所用的內存資源。4、根據(jù)權利要求1或2所述的虛擬手術系統(tǒng)中形變物體的實時模擬系統(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)學模型是基于彈性力學中線彈性物體的納維方程來描述了物體的形變位移和所受外力之間的關系，對作用在物體整個體區(qū)域內的納維方程，把Navier方程進行邊界化，從而把彈性物體整個體空間的三維問題轉化為局限于物體表面的二維問題。5、根據(jù)權利要求1或2所述的虛擬手術系統(tǒng)中形變物體的實時模擬系統(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)結構和存儲開銷，在劃分了物體表面網(wǎng)格之后，就把一個連續(xù)的物體表面劃分為了一系列個離散的邊界單元，然后對其中的每一個單元應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，從而建立起了一個由計算機進行求解的線性方程組。6、根據(jù)權利要求1或2所述的虛擬手術系統(tǒng)中形變物體的實時模擬系統(tǒng)，其特征是，所述的邊界元模塊使用形變基向量的方法來提高系統(tǒng)處理方程組的速度，在實時計算之前對系數(shù)矩陣進行預計算，從而把解線性方程組操作轉化為矩陣向量的乘法操作，在刷新形變向量基的時候，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進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，對這些向量進行簡單的線性縮放操作，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)權利要求1或2所述的虛擬手術系統(tǒng)中形變物體的實時模擬系統(tǒng)，其特征是，所述形狀匹配模塊，當外力從軟組織物體上移除時，軟組織需要回復到從前的形狀，形狀匹配模塊對這一過程的模擬使用了無網(wǎng)格形狀匹配技術，即對每一個邊界單元建立一個從當前空間位置到初始空間的一一映射。8、根據(jù)權利要求1或2所述的虛擬手術系統(tǒng)中形變物體的實時模擬系統(tǒng)，其特征是，所述形狀匹配模塊，在對所有邊界單元做了映射匹配之后，對每一個映射建立一個含阻尼的彈簧系統(tǒng)，每一個形變后的元素都被映射中的彈簧拉向它的初始位置，因為阻尼力的存在，每一個單元都將最終在空間上匹配到形變物體的初始位置，而回復過程的劇烈程度和快慢程度則通過調節(jié)剛度系數(shù)和阻尼力來實現(xiàn)。全文摘要一個虛擬手術系統(tǒng)中的實時模擬軟組織物體形變系統(tǒng)，屬于圖形處理
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。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，對邊界積分方程進行離散化并求解出每個網(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，對每一個網(wǎng)格單元的形變位置和初始位置建立一一映射關系，根據(jù)網(wǎng)格單元的位置和物體材料屬性建立運動學方程，計算物體的形變回復形狀。有限狀態(tài)機在軟組織物體形變過程中，對物體的受力狀態(tài)進行分析，并通過基本狀態(tài)之間的切換來控制當前使用的形變運算模塊。本發(fā)明實現(xiàn)了在交互式系統(tǒng)中實時并且精確對軟組織形變進行模擬，特別是虛擬手術系統(tǒng)中手術器械與軟組織交互變得更精確，更快速。文檔編號G06T17/00GK101295409SQ20081003855公開日2008年10月29日申請日期2008年6月5日優(yōu)先權日2008年6月5日發(fā)明者張靜思,博朱,顧力栩申請人:上海交通大學